Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 17 из 63)

Захват быстрых нейтронов возможен, если нейтрон в результате многократного рассеяния на ядрах замедляется до такой энергии, при которой процесс поглощения начинает играть решающую роль.

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Е _ядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния.

Рассеяние быстрых нейтронов на ядрах можетбыть упругим и неупругим.

Упругое рассеяние происходит с сохранением суммарной кинетической энергии нейтронов и ядра. Упругое рассеяние возможно на всех ядрах и при любых энергиях. Этот вид взаимодействия нейтронов с веществом имеет большое значение при работе ядерного реактора. Быстрые нейтроны многократно рассеиваясь на ядрах уменьшают свою энергию до тепловых, в результате чего они принимают участие в делении урана-235.

При неупругом столкновении часть кинетической энергии нейтрона и ядра затрачивается на возбуждение ядра с последующим испусканием γ – квантов. Неупругое рассеяние возможно на любом ядре, имеющем возбужденные уровни, т.е. практически на всех ядрах за исключением ядер водорода, гелия, дейтерия. При прохождении через вещество в результате многократно повторяющихся актов рассеяния на ядрах, нейтроны постепенно теряют свою энергию. Этот процесс получил название замедления нейтронов. Энергия, передаваемая рассеивающему ядру, зависит от угла рассеяния и от массы ядер среды;

, (5.16)

где Е₀ и Е₁ – энергии нейтрона до и после столкновения с ядром;

φ – угол рассеяния;

А – массовое число рассеивающего ядра.

При лобовом столкновении, когда φ = 180˚, cos φ = -1, нейтрон теряет наибольшее количество энергии.

, (5.17)

Энергии тепловых нейтронов не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества.

Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (n,

). Данный процесс сводится к поглощению нейтрона ядром с выделением энергии в виде γ – квантов. Энергия реакции в данном случае равна энергии связи нейтрона в конечном ядре.

При радиационном захвате нейтрона заряд ядра не меняется, меняется его массовое число

.

При этом могут возникнуть как стабильные, так и радиоактивные ядра. Образующееся радиоактивное ядро часто β – радиоактивно.

При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,

) растет по закону 1/v , где v -скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.

Нейтрон может реагировать с ядром, вызывая одновременное излучение ядром другой частицы. Такие взаимодействия нейтрона с ядрами называются ядерными реакциями, на подробном рассмотрении которых мы остановимся дальше.

При взаимодействии нейтронов с тяжелыми ядрами возможен также процесс расщепления ядра, т.е. деления на два или больше осколков.

В каждом акте взаимодействия нейтрон или изменяет направление движения и кинетическую энергию, или поглощается ядром. Таким образом, в каждом акте взаимодействия он выбывает из параллельного пучка, поэтому такой пучок ослабевает по уже известному нам экспоненциальному закону. В случае узкого пучка нейтронов N_0, число нейтронов N_х, не испытавших ни одного столкновения с ядрами вещества, определяется соотношением:

N_х = N₀·exp(-n₀· σ_n· x) , (5.18)

где N₀ – число нейтронов в падающем пучке;

N –число нейтронов, не испытавших ни одного столкновения с ядрами вещества;

σ_п –полное эффективное микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов с ядрами;

n₀ – число ядер в 1 м³ вещества, n₀ = 6.02·1023·ρ/А; ρ (кг/м³);

x – толщина слоя вещества( м).

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется полным эффективным микроскопическим сечением σ_п взаимодействия нейтронов с ядрами.

Микроскопическое сечение σ_п можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая эту сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом

r =

взаимодействие не происходит.

Вычисляя ослабление нейтронного потока, проходящего через среду, необходимо учитывать все возможные процессы взаимодействия нейтронов с ядрами.

С этой целью вводится понятие полного эффективного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами

σ_п = σ_рас. + σ_захв. + σ_дел..

Полное эффективное сечение имеет размерность площади. Единицей измерения поперечного сечения является барн. 1 барн = 10^{-28 м2}. Чем больше σ, тем вероятнее взаимодействие нейтрона с ядром. В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн.

Отношение

N/N₀ = exp(-n₀· σ_n· x) =Т (5.19)

называют пропусканием нейтронов слоем вещества.

Произведение σ_п ·n₀ называется макроскопическим сечением взаимодействия или линейным коэффициентом ослабления нейтронов обозначается Σ и выражается в м^-1.

Исходя из этого определения выражение ( ) можно записать:

, (5.20)

Отношение 1/Σ =

, имеет размерность длины и представляет собой толщину, ослабляющую поток нейтронов в

раз. Эту величину принято называть длиной свободного пробега нейтронов данной энергии в данном веществе.

Так как σ_п с увеличением энергии нейтрона уменьшается, то длина свободного пробега увеличивается.

Таблица 5. 5. Длина свободного пробега быстрых нейтронов (

) в различных середах

Материал	Плотность, г/см3	(см) при энергии:
		4 МэВ	14.9 МэВ
Полиэтилен	0.92	5.5	13.9
Плексиглас	1.18	6.3	15.2
Карбид бора	1.67	12.0	17.2
Графит	1.6Т	11.4	24.0
Алюминий	2.7	14.1	15.9
Железо	7.89	7.6	8.3
Свинец	11.34	15.0	15.5

ВОПРОСЫ

1. Какие эффекты наблюдаются при прохождении альфа-излучения через вещество?

2. Как связан пробег альфа- частицы с ее энергией?

3. Какими эффектами сопровождается прохождение через вещество бета-частиц?

4. Какие эффекты наблюдаются при прохождении гамма-излучения через вещество?

5. Какими эффектами сопровождается прохождение нейтронов через вещество?

6. Дать определение полного эффективного микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов с ядрами.

ГлАВА 6. Радиационная химия

Радиационная химия - область химии, изучающая химические превращения, происходящие в веществе под действием ионизирующих излучений.

Исследование радиационно-химических эффектов имеет большое теоретическое и практическое значение в связи с вопросами технологии ядерных реакторов и действия облучения на биологические объекты. Детальное обсуждение этого большого и специального вопроса не входит в задачу настоящей книги. В данном разделе будут лишь кратко рассмотрены некоторые вопросы, которые наиболее тесно соприкасаются с проблемами радиохимии и радиоэкологии. Значительная часть исследований в области радиационной химии имеет целью выяснение механизма поглощения энергии излучения химической системой и установление элементарных реакций нестабильных промежуточных частиц (возбужденных молекул, ионов, радикалов).

6.1 КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЦИОННО –ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Общей закономерностью при прохождении излучения через вещество является зависимость энергии, поглощаемой на единицу длины пробега частицы от концентрации электронов среды:

,

где

( ) – некоторая функция от скорости частицы и среднего потенциала ионизации вещества.

Величина

–называется линейной передачей энергии (ЛПЭ) и выражается в кэВ/мк (микрон) или эВ /

.

Действие ионизирующего излучения на вещество пропорционально поглощенной в системе радиационной энергии, обычно именуемой дозой излучения.

Поглощенная доза- это энергия ионизирующего излучения, поглощенная единицей массы облученного вещества. Поглощенная доза численно равна отношению количества поглощенной энергии в элементарном объеме, отнесенном к единице массы облучаемого вещества (ткани) в этом объеме.