Fizica neutronilor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 2 martie 2017; verificările necesită 6 modificări .

Fizica neutronilor  este o ramură a fizicii particulelor elementare care se ocupă cu studiul neutronilor , proprietățile și structura lor ( durata de viață , moment magnetic etc.), metodele de producție, precum și posibilitățile de utilizare a acestora în scopuri aplicative și de cercetare.

Fizica

Neutroni

Lipsa de sarcină electrică a neutronilor are ca rezultat interacțiunea lor în cea mai mare parte direct cu nucleele atomice , fie provocând reacții nucleare, fie împrăștiate de nuclee. Caracteristicile și intensitatea interacțiunii neutron-nucleu ( secțiuni transversale neutronilor ) depind în esență de energia neutronilor. Fizica neutronilor folosește în principal neutroni cu energii de la 10 7 la 10 −7 eV (lungimi de undă de Broglie de la 10 −12 la 10 −5 cm). Conform acestei game de energii și lungimi de undă, obiecte cu dimensiuni de 10–12 cm și energii de excitație caracteristice de 106–107 eV ( ale nucleului atomic) la obiecte cu dimensiuni de 10–4 cm vizibile într-un microscop optic  ( de exemplu, macromoleculele biopolimerilor) sunt studiate .

Radiația neutronică este împărțită condiționat în intervale de energie care diferă în metodele de obținere și detectare a neutronilor, precum și în direcțiile de utilizare a acestora:

Neutroni Energia Ε , eV Viteza v , cm/s mier lungime de undă λ, cm Temperatura medie Τ cf , K
Rapid > 10 5 > 1,4⋅10 9 < 10 −12 10 10
Încet
intermediar 10 4 -10 3 1,4⋅10 8 3⋅10 −11 10 8
rezonant 0,5−10 4 1,4⋅10 7 3⋅10 −10 10 6
Termic 0,5−5⋅10−3 _ 2⋅10 5 2⋅10−8 _ 300
Rece 5⋅10 −3 −10 −7 4,4⋅10 4 9⋅10−8 _ zece
Ultrarece 10 −7 4,4⋅10 2 9⋅10−6 _ 10 −3

Neutronii cu energie cinetică E > 100 keV se numesc rapizi. Ele sunt capabile să experimenteze împrăștiere inelastică pe nuclee și să inducă reacții nucleare endoterme , cum ar fi ( n , α ), ( n , 2n ), ( n , pn ). Secțiunile transversale ale acestor reacții depind relativ ușor de E (peste pragul lor de energie caracteristic), iar studiul lor face posibilă studierea mecanismului de distribuție a energiei de excitație între nucleonii care alcătuiesc nucleul.

Neutronii cu energii E < 100 keV sunt adesea numiți neutroni lenți; ei, la rândul lor, sunt împărțiți în rezonanți și intermediari. Neutronii lenți se împrăștie în mare parte elastic pe nuclee sau provoacă reacții nucleare exoterme, în special captarea radiativă ( n , γ), reacții precum ( n , p), (n, α) și fisiunea nucleară . Reacții 3 He( n , p ) 3 H; 10 B(n, α) 7 Li sunt utilizați pentru detectarea neutronilor; al doilea dintre ele este și pentru protecția împotriva radiațiilor neutronice.

Denumirea „neutroni rezonanți” se datorează prezenței maximelor de rezonanță (rezonanțe neutronice) în dependența energetică a secțiunii transversale efective σ( E ) a interacțiunii neutronilor cu materia. Investigațiile cu neutroni rezonanți fac posibilă studierea spectrului de excitație al nucleelor. În regiunea energetică a neutronilor intermediari, structura rezonantă a neutronilor cu secțiune transversală este netezită datorită suprapunerii rezonanțelor adiacente. Secțiunea transversală a oricărei reacții nucleare cauzată de neutroni suficient de lenți este invers proporțională cu viteza lor. Această relație se numește „legea 1/ v ”. O abatere de la această lege se observă atunci când E devine comparabil cu energia primului nivel de rezonanță.

Obținerea

Practic, în toate studiile de fizică a neutronilor, sunt utilizate fascicule de neutroni monoenergetici cu un grad de monocromatizare de ~10 -2 . Fascicule intense de neutroni rapizi sunt produse la acceleratorii de particule încărcate în reacțiile nucleare ( p , n ) și ( d , pn ). Energia neutronilor E se modifică pe măsură ce energia particulelor încărcate primare incidente pe țintă variază.

Neutronii lenți pot fi obținuți și la toate tipurile de acceleratoare, inclusiv la acceleratoarele de electroni ca urmare a reacțiilor (γ, n) când țintele pe elemente grele sunt iradiate cu γ-quanta de electron bremsstrahlung. Neutronii rapidi rezultați pot fi încetiniți. De obicei, pentru aceasta se folosesc substanțe care conțin hidrogen (apă, parafină și altele), în care neutronii își pierd energia, împrăștiindu-se pe nucleele de hidrogen. Cu toate acestea, după încetinire, neutronii nu sunt monoenergetici.

Pentru a obține neutroni monoenergetici , se utilizează metoda timpului de zbor , care necesită surse de neutroni pulsați. La fiecare moment de timp t după pulsul neutronilor, neutronii ajung la detector la o distanță L de sursă cu o energie determinată de relația

unde energia este în electronvolți , distanța este în metri și timpul este în microsecunde.

Surse puternice de neutroni termici - reactoarele nucleare creează fluxuri de neutroni termici în interiorul moderatorilor de până la 10 15 neutroni / (cm 2 s). Neutronii termici monoenergetici sunt produși pe monocristale. Pentru a obține neutroni reci se folosesc moderatori, răciți la temperatura azotului lichid și chiar a hidrogenului lichid (20 K). Neutronii ultrareci sunt extrași din moderator prin ghidaje de neutroni în vid curbate ascuțit .

Cercetare

Energia neutronilor termici este comparabilă cu energia vibrațiilor termice ale atomilor dintr-un solid, iar λ n  este comparabilă cu distanța interatomică. Atunci când neutronii termici trec prin materie, aceștia își pot schimba semnificativ energia, dobândind-o sau dând-o vibrațiilor termice ale atomilor sau moleculelor. Mărimea unor astfel de modificări poate fi utilizată pentru a obține spectrul fonon al unei substanțe. Când neutronii termici sunt împrăștiați de monocristale, are loc difracția neutronilor.

Studii individuale

Neutronii reci sunt utilizați pentru a studia mișcările de difuzie lentă a atomilor și moleculelor în diverse medii, precum și pentru a studia macromoleculele proteinelor, polimerii, microdefectele și microneomogenitățile în soluții și aliaje.

Neutronii ultrareci sunt reflectați în totalitate de majoritatea materialelor datorită unui fel de „repulsie” a substanței lor. Acest fenomen este similar cu reflexia internă totală a luminii la limita a două medii și poate fi descris prin indicele imaginar de refracție pentru radiația neutronică cu o lungime de undă λ n > 500 Å. Datorită acestui fapt, neutronii ultrareci pot fi acumulați și stocați pentru o perioadă lungă de timp (sute de secunde) în vase închise.

Prezența unui moment dipol magnetic în neutroni determină împrăștierea magnetică a unui neutron de către electronii atomici, ceea ce face posibilă studierea structurii și dinamicii materialelor magnetice.

Subiectul studiului fizicii neutronilor este, de asemenea, proprietățile neutronului însuși ca particule elementare. De mare importanță pentru fizica interacțiunii slabe este măsurarea precisă a duratei de viață a neutronului [1] . Multe extensii ale modelului standard prezic faptul că neutronul are un moment dipol electric diferit de zero , precum și existența oscilațiilor neutron-antineutron .

Înțeles

Rezultatele cercetării fizico-neutronice au o importanță practică deosebită în legătură cu problemele de obținere a energiei nucleare, deoarece neutronii joacă rolul principal în procesul de fisiune nucleară și fuziune termonucleară.

Literatură

Link -uri

  1. ↑ Măsurătorile privind durata de viață a neutronilor efectuate prin diferite metode încă diverg. . „Elemente”. Știri științifice. Fizică. (3 decembrie 2013). Data accesului: 10 decembrie 2013. Arhivat din original la 17 decembrie 2013.

Vezi și

 Secțiuni de fizică nucleară