Нейтронная спектроскопия

Нейтро́нная спектроскопи́я, раздел нейтронной физики, в котором изучаются энергетическая зависимость эффективных сечений взаимодействия нейтронов с атомными ядрами и свойства образующихся при этом возбуждённых состояний ядер. Начало нейтронной спектроскопии было положено Б. Брокхаузом с сотрудниками, которые создали первый кристаллический трёхосный нейтронный спектрометр и с его помощью исследовали неупругое рассеяние нейтронов (1955).

Отсутствие у нейтрона электрического заряда (препятствующего сближению заряженных частиц с ядром) 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 экзотермические ядерные реакции. К последним относится радиационный захват нейтронов, сопровождающийся испусканием гамма-квантов (эта реакция наблюдается для всех ядер, кроме ${\displaystyle ^{4}{\text{He}}}$). На некоторых лёгких ядрах с большей вероятностью идут реакции с вылетом заряженных частиц, например реакции ${\displaystyle 3He+n\rightarrow 3H+p}$; ${\displaystyle 6Li+n\rightarrow 3H+\alpha }$; ${\displaystyle ^{10}B+n\rightarrow 7Li+\alpha }$, широко применяемые для регистрации нейтронов. Захват нейтронов отдельными изотопами урана и трансурановых элементов (${\displaystyle ^{233}{\text{U}}}$, ${\displaystyle ^{235}{\text{U}}}$, ${\displaystyle ^{239}{\text{Pu}}}$ и др.) вызывает деление ядра на два (реже три) осколка.

Характерной чертой взаимодействия нейтронов с ядрами является наличие резонансов в энергетической зависимости эффективных сечений реакций (рис. 1). При захвате нейтрона с энергией ${\displaystyle \varepsilon }$ ядром с массовым числом ${\displaystyle A}$ образуется ядро с массовым числом ${\displaystyle A+1}$ в возбуждённом состоянии с энергией возбуждения, равной энергии связи нейтрона в ядре плюс величина ${\displaystyle \varepsilon _{0}A/(A+1)}$, где ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ – кинетическая энергия нейтрона, при которой сечение реакции максимально. Энергетическая зависимость сечения ${\displaystyle \sigma _{\text{с}}}$ реакции образования составного ядра в окрестности резонанса описывается формулой Брейта – Вигнера: ${\displaystyle \displaystyle \sigma _{c}=\pi \lambda ^{2}{\frac {\Gamma _{n}\Gamma }{(\varepsilon -\varepsilon _{0})^{2}+{\frac {\Gamma ^{2}}{4}}}}}$, где ${\displaystyle \lambda =\lambda /2\pi ,\;\lambda }$ – длина волны нейтрона, ${\displaystyle \Gamma }$ – полная ширина резонанса, характеризующая его энергетическую форму, ${\displaystyle \Gamma _{n}}$ – нейтронная ширина резонанса (доля от ${\displaystyle \Gamma }$, определяющая вероятность захвата нейтронов).

Для измерений эффективных сечений реакций применяют нейтронные спектрометры различных типов. Наибольшее распространение получили т. н. нейтронные спектрометры по времени пролёта (рис. 2). В таких спектрометрах импульсный нейтронный источник генерирует короткие (длительностью ${\displaystyle \tau }$) импульсы (вспышки) со сплошным энергетическим спектром. Нейтроны, прошедшие через мишень, регистрируются нейтронным детектором, а специальный электронный временной анализатор фиксирует интервал времени между вспышкой и моментом регистрации нейтрона детектором. Разрешающая способность спектрометра характеризуется отношением ${\displaystyle \tau /L}$, где ${\displaystyle L}$ – расстояние от источника до детектора. В лучших современных 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 ${\displaystyle \sigma _{t}}$ реакции определяют, регистрируя показания детектора при положении мишени в пучке ${\displaystyle (N)}$ и вне пучка ${\displaystyle (N_{0})}$, с использованием соотношения: ${\displaystyle N/N_{0}={\text{exp}}(-n\sigma _{t})}$, где ${\displaystyle n}$ – толщина мишени, выраженная в количестве ядер на 1 см² .

Существенно расширяет информацию о свойствах ядер измерение парциальных сечений реакций, т. е. вероятности различных реакций, идущих по тому или иному каналу (${\displaystyle \gamma }$-распад, деление атомного ядра и т. д.). Для этого используют соответствующие детекторы, которые располагают рядом с изучаемой мишенью. Обработка экспериментальных данных позволяет получить все основные характеристики возбуждённых уровней составного ядра: энергию, полные и нейтронные ширины резонансов, спины, чётность. Для большинства стабильных ядер эти характеристики (по крайней мере ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ и ${\displaystyle \Gamma _{n}}$) измерены для десятков, а иногда и сотен энергетических уровней. Обширная информация, полученная методом нейтронной спектроскопии, 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 поляризованных нейтронов с ядрами.

Информация о свойствах атомных ядер, полученная методами нейтронной спектроскопии, играет существенную роль не только в науке, но и в современной промышленности (в первую очередь в атомной энергетике). Реакторы атомных электростанций, силовых установок ледоколов и атомных подводных лодок невозможно разрабатывать, не имея данных нейтронной спектроскопии, причём требования к объёму и точности этих данных постоянно повышаются.