НЕЙТРО́ННАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕЙТРО́ННАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я, раздел нейтронной физики, в котором изучаются энергетич. зависимость эффективных сечений взаимодействия нейтронов с ядрами и свойства образующихся при этом возбуждённых состояний ядер. Начало Н. с. было положено Б. Брокхаузом с сотрудниками, которые создали первый кристаллич. трёхосный нейтронный спектрометр (1952) и с его помощью исследовали неупругое рассеяние нейтронов (1955).
Отсутствие у нейтрона электрич. заряда (препятствующего сближению с ядром заряженных частиц) делает его уникальным инструментом для изучения ядерного взаимодействия. Сблизиться с ядром могут нейтроны любой энергии, результат взаимодействия зависит от энергии нейтрона и свойств ядра. При взаимодействии медленных нейтронов с веществом наблюдается упругое рассеяние нейтронов, а также некоторые экзотермич. ядерные реакции. К последним относится радиационный захват нейтронов, сопровождающийся испусканием $γ$-квантов (эта реакция наблюдается для всех ядер, кроме $\ce{^4He}$). На некоторых лёгких ядрах с большей вероятностью идут реакции с вылетом заряженных частиц, напр. реакции $\ce{3He +n→3H+p;\: 6Li + n→3H +α ;\: ^{10}B +n→7Li +α}$ , широко применяемые для регистрации нейтронов. Захват нейтронов отд. изотопами урана и трансурановых элементов ($\ce{^233U,\ ^235U,\ ^239Pu}$ и др.) вызывает деление ядра на два (реже три) осколка.
Характерной чертой взаимодействия нейтронов с ядрами является наличие резонансов в энергетич. зависимости эффективных сечений реакций (рис. 1). При захвате нейтрона с энергией $ℰ$ ядром с массовым числом $A$ образуется ядро с массовым числом $A+1$ в возбуждённом состоянии с энергией возбуждения, равной энергии связи нейтрона в ядре плюс величина $ℰ_0A/(A+1)$, где $ℰ_0$ – кинетич. энергия нейтрона, при которой сечение реакции максимально. Энергетич. зависимость сечения $σ_с$ реакции образования составного ядра в окрестности резонанса описывается формулой Брейта – Вигнера:$$\sigma_\text c= \piƛ^2\frac{\Gamma_n\Gamma}{(ℰ-ℰ_0)^2+\frac{\Gamma^2}{4}},$$где $ƛ= λ/2π,\; λ$ – длина волны нейтрона, $Γ$ – полная ширина резонанса, характеризующая его энергетич. форму, $Γ_n$ – нейтронная ширина резонанса (доля от $Γ$, определяющая вероятность захвата нейтронов).
Для измерений эффективных сечений реакций применяют нейтронные спектрометры разл. типов. Наибольшее распространение получили т. н. нейтронные спектрометры по времени пролёта (рис. 2). В таких спектрометрах импульсный нейтронный источник генерирует короткие (длительностью $τ$) импульсы (вспышки) со сплошным энергетич. спектром. Нейтроны, прошедшие через мишень, регистрируются нейтронным детектором, а спец. электронный временной анализатор фиксирует интервал времени между вспышкой и моментом регистрации нейтрона детектором. Разрешающая способность спектрометра характеризуется отношением $τ/L$, где $L$ – расстояние от источника до детектора. В лучших совр. нейтронных спектрометрах в качестве нейтронных источников применяют электронные или протонные ускорители с длительностью вспышки 1–100 нc и интегральным выходом до 1015 нейтронов в секунду. Полное эффективное сечение $\sigma_t$ реакции определяют, регистрируя показания детектора при положении мишени в пучке $(N)$ и вне пучка $(N_0)$, с использованием соотношения: $N/N_0=\text{exp}(–nσ_t)$, где $n$ – толщина мишени, выраженная в количестве ядер на 1 см2.
Существенно расширяет информацию о свойствах ядер измерение парциальных сечений реакций, т. е. вероятности разл. реакций, идущих по тому или иному каналу ($γ$ -распад, деление ядра и т. д.). Для этого используют соответствующие детекторы, которые располагают рядом с изучаемой мишенью. Обработка эксперим. данных позволяет получить все осн. характеристики возбуждённых уровней составного ядра: энергию, полные и нейтронные ширины резонансов, спины, чётность. Для большинства стабильных ядер эти характеристики (по крайней мере $ℰ_0$ и $\Gamma_n$) измерены для десятков, а иногда и сотен энергетич. уровней. Обширная информация, полученная методом Н. с., позволяет найти распределение нейтронных ширин резонансов и интервалов между резонансами. Измерены магнитные моменты ряда ядерных уровней, обнаружены аномально большие эффекты нарушения пространственной чётности при взаимодействии поляризов. нейтронов с ядрами.
Информация о свойствах атомных ядер, полученная методами Н. с., играет существенную роль не только в науке, но и в совр. пром-сти (в первую очередь в ядерной энергетике). Реакторы атомных электростанций, силовых установок ледоколов и подводных лодок невозможно разрабатывать, не имея данных Н. с., причём требования к объёму и точности этих данных постоянно повышаются.