中子与物质作用的微观过程1

发布网友 发布时间：2023-10-26 02:43

我来回答

共1个回答

热心网友 时间：2024-12-12 09:09

中子与核相互作用主要为微观过程，即为中子与原子核引起的核反应，由于原子半径比核半径大n个数量级，所以，核与核之间的距离可以视为是比较大的，彼此间是孤立的。中子引起的核反应有下面几种形式：

放射性勘探方法

当中子与物质发生作用时，中子和原子核之间的各种反应都可能发生，而发生各种中子反应都有一定的截面，不同的反应其反应截面的大小主要取决于靶核的质量数A、中子能量E_n和反应类型。

(一)弹性散射

所谓弹性散射，是指中子与原子核发生碰撞后，系统的总动能不变，而中子将部分动能传递给原子核，核并未被激发仍处于基态，但却获得了能量。这是中子在物质中损失能量被减速的主要过程。

从反应机制看，有两种不同的反应，一种是势散射，即中子在核力场的作用下改变原来的运动方向；另一种是中子被原子核所吸收形成复合核，复合核处于激发态，激发态的复合核放出一个中子而回至基态。从力学观点来看，不论哪一种机制，弹性散射过程前后，整个系统保持动能和动量守恒，中子能量的减少等于反冲核获得的动能。从能量和动量关系得到，中子的动量损失或反冲核获得的动能为

放射性勘探方法

式中:E_M为反冲核的动能;E_n、E'_n分别为碰撞前、后中子的动能;M为反冲核质量;m为中子质量;φ为实验室坐标系中反冲核的反冲角。

从上式可能看出，原子核的质量越小，在弹性散射过程中，中子损失的能量或原子核得到的反冲能越大。

弹性散射以(n，n)表示。第一个n表示入射前的中子，第二个n表示散射后的中子。

可以利用弹性散射使中子速度降低，将快中子转变为慢中子。

(二)非弹性散射

中子与核相互作用，损失能量，靶核处于激发态的过程称为非弹性散射，记(n，n')反应。中子必须具备使靶核处于第一激发态的能量，才能发生这类反应。因此，非弹性散射具有能量阈值的特征。该阈值与核的种类有关。

通常，核的第一激发态能量随着质量数的增加而降低。那么，初始中子的能量越高，非弹性散射后核所处的激发态也越高。在高激发区域里，能级数量增加，其结果是非弹性散射截面随着中子能量的增加而增加。图5-1表明，这种关系对于重核表现得更为明显。

当中子能量一定时，非弹性散射截面随靶核质量数的增加而增大，如图5-2所示。这有两层含义：

第一，随着靶核质量数A的增大，核的直径增加，也就是核的几何截面增大，因而相互作用的几率增加。实验证实，

值与核的直径成正比，对14MeV中子，有以下形式的经验公式

放射性勘探方法

式中，

以靶恩为单位。

图5-1 非弹性散射截面与中子能量的关系

图5-2 14MeV中子非弹性散射截面与介质材料的关系

第二，核越重它的能级数也越大，发生(n，n')反应的几率也就增大。如图5-2所示，在中等及重核上，14MeV中子发生非弹性散射的截面大约为2b(靶恩)，这个值十分接近弹性散射截面，对这种能量而言，发生在大多数元素的原子核上的两种散射，实际上具有相同的概率。

(三)中子的倍增反应

快中子能引起吸热的 (n,2n)反应。这个反应的能量阈值是靶核中的中子结合能。对于大多数核 (n,2n)反应的能量阈值在 7~15MeV 之间。如果中子源是由中子发生器担任,在发生器内进行了³H(d,n)⁴He反应,并产生初始能量为 14MeV的中子,那么对于一系列造岩元素的原子核都可以引起 (n,2n)反应。

(n，2n)反应与快中子引起的其他反应(如发射带电粒子的(n，p)反应及(n，α)反应)相互竞争。对于高原子序数原子核，超过高的库仑势垒放出带电粒子是比较困难的。当中子能量高于阈值时，(n，2n)反应占了优势。

对于14MeV快中子，发生(n，2n)反应的截面值在10^-29m²范围，某些核可以达到1b。而对于含较多中子的核，特别是中子数等于下列“奇异数”之一的核：2、8、20、50、80、126等，(n，2n)反应截面都偏低。

(四)发射带电粒子的反应

快中子与物质相互作用发射带电粒子反应中，(n，p)、(n，α)反应是主要的。高库仑势垒是控制这类反应几率的重要因素。与中子相互作用而形成的、来自核中的质子和α粒子被势垒所阻挡。库仑势垒高度U_k与核的原子序数Z及其半径R有如下关系：

放射性勘探方法

式中：z_i为质子或α粒子的原子序数；e为电子电荷。

发射带电粒子反应的条件可以写成以下的式子

放射性勘探方法

式中：E为中子的动能；ε是中子与靶核的结合能；ε_i为带电粒子与生成核的结合能；差值ε-ε_i称为反应热能，以Q表示。

核越重，库仑势垒越高，因而发生(n，p)、(n，α)反应的几率越小。随着核的原子序数的增高，阈能增加。当中子能量大于阈值时，才有可能发生这类反应。图5-3、图5-4表明，在中子能量超过反应能量阈值后，反应截面就很快增加。

对某些轻核，(n，p)和(n，α)核反应占有重要地位。对这些核，库仑势垒总是很小的，实际上它对反应几率已不存在影响，³He、⁶Li和¹⁰B的核甚至在慢中子作用下都能发生反应并伴随放出能量，为了探测中子，常利用这些核的下列核反应：³He(n，P)³H(Q=0.77MeV)；⁶Li(n，α)³H(Q=4.78MeV)；¹⁰B(n，α)⁷Li(Q=2.78MeV)。图5-5绘出了这些核反应的截面与中子能量的关系。由曲线可见，对于慢中子，以上各类反应的截面值都特别大。

氟发生¹⁹F(n，α)¹⁶N反应，在核方法中有重要意义。这个反应的阈值为1.6MeV，无论在实验室还是在野外条件下，快速测量岩石中的氟都利用这个反应。

图5-3 不同核(n，p)反应截面与中子能量关系

放射性勘探方法

图5-4 不同核(n，α)反应截面与中子能量关系

放射性勘探方法

图5-5 轻核 (n，P)，(n，α)反应截面与中子能量关系

1—³He(n，p)³H；2—¹⁰B(n，α)⁷Li；3-⁶Li(n，α)³H

(五)辐射俘获

辐射俘获或称为(n，γ)反应，是吸收中子伴随放出γ光子的反应。实际上除⁴He外几乎所有的核都能俘获中子。

中等及重核辐射俘获中子的截面值整体而言是高的，而对于轻核是低值。同时，这个反应的截面(σ_n，γ)与靶核内的中子数量有关。同一元素的同位素往往具有完全不同的吸收中子的能力。例如¹³⁸Ba俘获热中子的截面值等于0.55b；而该元素的另一同位素¹³⁶Ba，俘获热中子的截面值几乎增大20倍达10b。对此可以作如下解释：在¹³⁸Ba核中，其中子数等于82(它是一个“奇异数”)；中子数为“奇异数”的所有原子核，它的(n，γ)反应都是低值。

图5-6 ¹⁹⁸Au核辐射俘获截面与中子能量关系

任何能量的中子都可以发生辐射俘获反应。但是，慢中子引起(n，γ)反应的截面值大于快中子，它通过核的空间花费的时间长，相互作用的几率就大。在很多核的吸收截面与中子能量的关系曲线上，有共振吸收的特点，图5-6是一个典型的例子。从图中可以看出，对于¹⁹⁸Au，当中子能量为4.9eV时，σ_n，γ值出现突变，达3×10⁴b。它是热中子俘获截面值的300倍。

具有质量数为A的原子核，俘获一个中子后，形成的新核质量数为A+1，并处于激发态。其能量为

放射性勘探方法

式中：ε为生成核中的中子结合能；E是俘获中子的动能。

设假A≫1，而且入射中子能量很低，即E≈0，则E^*=ε，对于大多数核来讲，中子的结合能为7～8MeV。生成核具有很大的激发能，这就是说，甚至是俘获热中子，在生成核的能谱图上，激发级也是很高的(图5-7)。

图5-7 辐射俘获形成核退激过程及相应γ谱线示意图

处于激发状态下的核，寿命通常是极短的，约为10^-9s量级，可以认为，是在一瞬间通过放出γ射线来退激。退出激发态的过程，可以是直接返回到基态，也可以逐次返回到基态。第一种情况下，放出的γ光子具有最大的能量(图5-7)。而对于后者，则以放出具有较低能量的多个γ光子，这样俘获中子后，所得到的γ射线谱往往是一个复杂谱，它反映了俘获中子后，生成核的能级结构。既然每一个核具有自己特有的激发能级结构，那么，根据辐射俘获放出的γ射线就能鉴定靶核的性质。

如上所述，与中子相互作用发生(n，γ)反应将导致新的放射性核素的生成，而生成核具有各不相同的半衰期，从数秒到许多年。

在放射性方法中，辐射俘获具有十分重要的地位。岩矿石元素分析的很多方法都是以测定(n，γ)反应后生成核的射线为基础的。通过测量俘获中子后放出的特征γ射线，可以确定靶核的性质并测定它的含量。

(六)中子作用下的核裂变

中子引起的铀裂变具有重要意义。铀的天然同位素²³⁵U和²³⁸U发生裂变反应是存在差异的。²³⁵U的裂变截面(σ_n，f)在低能中子的范围内增长很快，如图5-8所示，热中子引起²³⁵U核的裂变反应截面值大于10³b。²³⁸U仅对快中子才发生裂变反应，且具有中子能量阈值，该值接近于1MeV，如图5-8所示。中子能量大于阈值后，随着中子能量的增加，截面值增加到0.5b，且出现一个平台。当中子能量达6MeV时，截面又重新增大。这是因为出现了新的裂变反应，引发(n，n')反应，即中子的非弹性散射。此时，²³⁸U核获得了巨大的激发能而具有新的裂变能力。

由图5-8可见，在快中子作用下，²³⁸U裂变截面不大于1.5b，而²³⁵U在慢中子作用下的裂变截面σ_n，f要比前者大1000倍。所以，虽然在天然铀中²³⁵U的丰度值很小(仅为0.7%)，但在中子引起的裂变反应中恰恰是²³⁵U作了主要贡献。

图5-8 铀核裂变截面与中子能量关系

铀核裂变的结果出现了次级中子，热中子引起²³⁵U一次裂变平均产生2.4个次级中子。这些中子的大部分是瞬发的，只有近2%的中子是缓发的。它们的半衰期分为几个组，从几秒到数十秒，这类中子称为缓发中子。无论是瞬发中子还是缓发中子在放射性方法中都得到应用。利用它们可以在天然产状下直接测定矿石中的铀含量。