Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают уникальной способностью проникать в ядра атомов без отталкивания со стороны электрического заряда ядра. Эта особенность делает их незаменимыми агентами в инициировании ядерных реакций, особенно в области радиохимии и ядерной энергетики. Взаимодействие нейтронов с ядрами определяется энергией нейтронов, структурой ядра и вероятностью конкретных процессов, выражаемой через сечение реакции.
Энергетические диапазоны нейтронов:
1. Захват нейтронов (n,γ) Нейтрон поглощается ядром с последующим испусканием γ-кванта. Этот процесс ведет к образованию изотопа с массовым числом, увеличенным на единицу. Характерно для стабильных и легких ядер, а также используется для получения радиоактивных изотопов в медицинских и промышленных целях.
2. Эмиссия частиц (n,p), (n,α), (n,2n)
3. Деление ядер (n,f) Особенно характерно для тяжёлых ядер (U-235, Pu-239). Захват теплового или быстрого нейтрона инициирует деление на два фрагмента с выделением значительного количества энергии и нескольких нейтронов, которые способны поддерживать цепную реакцию.
4. Резонансный захват При определенных энергиях нейтрона сечение реакции резко возрастает. Это явление объясняется совпадением энергии нейтрона с энергетическим уровнем возбужденного состояния ядра. Используется в реакторах для регулирования потока нейтронов и в методах радионуклидного анализа.
Скорость реакции определяется как:
[ R = N ]
где ( ) — поток нейтронов, ( N ) — число мишеней (ядер), ( ) — сечение реакции. Для цепных процессов, таких как деление U-235, важным параметром является коэффициент размножения ( k ), который характеризует, сколько нейтронов в среднем вызывает последующее деление. При ( k > 1 ) наблюдается возрастающая цепная реакция, при ( k = 1 ) — стационарная, при ( k < 1 ) — затухающая.
Нейтронная активация Применяется для качественного и количественного анализа элементов. Ядра мишени захватывают нейтроны, становятся радиоактивными, и последующее измерение γ-излучения позволяет определить концентрацию элементов с высокой точностью.
Получение радиоизотопов Тепловые нейтроны используются для синтеза изотопов меди, кобальта, йода и др., востребованных в медицинской диагностике и терапии.
Контроль и измерение потоков нейтронов Используются нейтронные детекторы (газовые счётчики, сцинтилляторы), позволяющие оценивать энергетическое распределение нейтронов и сечения реакций. Эти данные критичны для проектирования реакторов и радиохимических установок.
Взаимодействие нейтронов с ядрами формирует основу радиохимии как науки о превращениях атомных ядер. Энергетическая характеристика нейтронов, сечения реакций и возможности цепных процессов определяют как фундаментальные исследования, так и практические приложения в области синтеза радиоизотопов, анализа материалов и энергетики. Контроль над параметрами реакций обеспечивает высокую селективность и эффективность радиохимических технологий.