Нейтрон и его свойства

1. Нейтрон и его свойства.

М.А. Киселёв
Атомные реакторы и ядерная энергетика
Лекция 2
Нейтрон и его свойства.
ЛНФ ОИЯИ, 15 сентября 2016

2. Открытие нейтрона. Джеймс Чедвик (James Chadwick), 1932 год

9
4
Be He C n
4
2
12
6
1
o
Регистрация нейтрона
10
5
B n Li
1
o
7
3
4
2

3. Открытие деления урана (конец 1938 – начало 1939 года)

Ган и Штрассман – обнаружили барий в
продуктах облучения урана нейтронами
(!?) – бред какой-то…
Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили
это делением ядра на два осколка.

4. Нейтроны при делении и цепная реакция

Жолио и Ирен Кюри нашли
множественность испускания нейтронов
при делении.
Зельдович и Харитон показали
возможность цепной реакции деления и
создания реакторов (1939)

5. Свойства нейтрона

Спин=1/2, заряд=0
n -1.9 B mn=1.009 a.e.m=939 Мэв
p 2.79 B mn=1,3 Мэв+mp
n p e ~e
B
e
эрг
5.05 10 24
mp c 2
сек
T1/2=16 мин
Получение нейтронов:
Реакторы
Ускорители
9
4
Be( , n)126C
Ra, Be
Po, Be
Q=5.5 Мэв
Источники
106 – 107 н/сек
1 эв=1.6 10-12 эрг

6. Нейтрон – частица и волна

3
E kTo
2
E kTo
Средняя кинетическая энергия нейтронов,
находящихся в термодинамическом равновесии
со средой
Оценка кинетической энергии нейтронов
по наиболее вероятной энергии
k=1.38 10-16 эрг/сек
1эв=1.6 10-12 эрг
1 эрг=6.24 1011 эв
Не путать!
To=273+toC=300K
E 0.039эв
E=0.025 эв

7. Ядерные реакции с нейтронами

При Тn = 0.17эВ, =20000 барн
=3,5×106 барн при Tn= 0,084эВ
Ксеноновое отравление реактора
Для тепловых нейтронов вероятность захвата
20%, =2.8 барн
Образуется -активный 24Na с Т1/2= 15 ч

8. Реакции с образованием протонов, (n,p) реакции:

регистрации нейтронов в детекторах,
наполненных 3Не, σ= 5400 барн
σ = 1,75 барн. Применяется для
получения очень важного в методе
меченых атомов β-активного нуклида
14С (Т
1/2 = 5730 лет)

9. Реакции с образованием -частиц, (n, ) - реакции:

Реакции с образованием -частиц, (n, ) - реакции:
=3840 барн для тепловых
нейтронов
=945 барн для тепловых
нейтронов
Применяются в детекторах нейтронов и счетчиках

10. Деление ядер

Реакция деления тяжелых ядер (U, Th, Рu и др.)
нейтронами, (n, f) – реакция
(A, Z) n (A1 , Z1 ) (A 2 , Z 2 )
При этом: A1+A2=A+1, Z1+Z2=Z,
A1 2
A2 3
Неупругое рассеяние нейтронов (n, n )
Упругое рассеяние нейтронов (n, n)
(резонансное и потенциальное)

11. Масса ядра

M Z m p A Z mn W
W
R=1.4 10-13 A1/3
энергия связи нуклонов в ядре
Магические ядра
2, 8, 20, 50
Фомула Вейцзеккера
W A A
Z2
A/ 2 Z
1/ 3
A 3 / 4
A
A
2
2/3
0
Для четно-четных ядер
Для нечетных ядер
Для нечетно-нечетных ядер

12. Зависимость средней энергии связи на нуклон от массового числа A

13. Поток нейтронов

J N
Число актов рассеяния (поглощения) за 1 сек
В 1 см3
J – коллимированный поток нейтронов н/cек см2
N – число ядер в 1 см3
- микроскопическое сечение рассеяния (захвата, деления)
t s a
1 барн =10-24 см2

14. Микроскопическое сечение рассеяния

k 2mE / 2
f (k , )
r, exp(ikz )
exp(ikr )
r
d f k , d
2
d 2 sin d

15. Амплитуда рассеяния, длина рассеяния, плотность длины рассеяния(x)

Амплитуда рассеяния, длина рассеяния, плотность
длины рассеяния (x)
Рентгеновские лучи с длиной волны около 1.5 Å
e2
13
ro
2
.
82
10
см
2
mc
e ( x) n( x) ro
Тепловые нейтроны с длиной волны от 1 до 10 Å
n
b
( x)
i
V
Элемент
H
D
Длина
рассеяния
b, 10-12см
0.37
0.67
12
C
0.67
14
N
0.94
16
O
0.58
31
P
0.51
32
S
0.28

16. Зависимость амплитуды рассеяния от энергии

a lim k 0 f (k )
Длина рассеяния
При условии малости энергии нейтрона по сравнению с ядерным потенциалом
1
1 1 2
1 k ro a
f п (k )
a 2
Для тепловых нейтронов E=0.026 эв
k 109 1/см
Оценивая a 10-12 см, ro 10-13 см,
Получаем, что
1
1
fп
a

17.

Плотность длины рассеяния (x,y,z) =
сумма длин рассеяния ядер в элементе
объема тела

18. Знак амплитуды рассеяния определяется конкуренцией потенциального и резонансного рассеяния

f fп fр fп
Г н / 2k
(E E o ) iГ / 2
Для медленных нейтронов E<<Eo и Г Г
Для большинства ядер Г << Eo.
Поскольку
Гn k
Гн
f fп
2kE o
то амплитуда от энергии не зависит

19. Дифференциальное микроскопическое сечение рассеяния

d рассеянный поток / телесныйугол
см 2
d
начальный поток / площадь
стерадиан
Полное микроскопическое сечение рассеяния
рассеянный поток
2
см
начальный поток / площадь

20. Макроскопическое сечение

N
N
Размерность см-1
плотность
число Авогадро
атомный вес
J
Число событий, одноатомное вещество
J N mol n i i
i
NA=6.025 1023 атом/моль
Молекулярное вещество

21. Уменьшение потока при прохождении нейтронами вещества

x
вероятность того, что произойдет столкновение
нейтрона с ядром вещества на пути x
1 x
Вероятность того, что нейтрон пройдет
путь x без столкновений
Вероятность пройти расстояние x=n x без столкновений
1 x
n
1 x
x
x
lim x 0 1 x
1 x
x
x
e
x
x
x

22. Ослабление пучка нейтронов при прохождении вещества

I Io e
x

23. Длина свободного пробега нейтрона

e
x
dx 1
o
Вероятность того, что нейтрон испытает
столкновение при прохождении бесконечно
большого пути
x
x
e
dx
o
x
e
dx
x e x dx
o
1
o
1
1
N

24. Важные соотношения

1
1
s
s N s
1
1
1
t
s a
1
1
a
a N a

25.

v
Среднее время между двумя столкновениями
1 v
v
Число столкновений за секунду

26. Задачи:

1.
2.
3.
Рассчитать плотность ядерного вещества.
Рассчитать плотность длины рассеяния
нейтрона в H2O и D2O.
Рассчитать ослабление пучка нейтронов при
прохождении 1, 2 и 5 см H2O и D2O.