Холодные нейтроны производят радиоактивные элементы?

Каждый захват нейтрона вызывает ядерную трансмутацию. «Энергия разделения нейтронов» дочернего ядра обычно высвобождается быстро, обычно в виде каскада гамма-лучей. Основные состояния дочерних ядер могут быть устойчивыми или неустойчивыми. Новые нестабильные ядра относятся к «продуктам нейтронной активации»; материал, ставший радиоактивным после воздействия нейтронов, считается «активированным».

Несколько практических примеров:

• Полиэтилен высокой плотности, химическая формула которого представляет собой длинные цепочки$\rm CH_2$, в основном захватывает нейтроны, превращая водород в дейтерий, с меньшим количеством захватов, превращая углерод-12 в углерод-13. Ни один из продуктов захвата не является радиоактивным, поэтому чистый ПЭВП не активируется пучками нейтронов.

• Алюминий имеет только один стабильный изотоп. Захват нейтронов алюминием образует алюминий-28, бета-распад которого превращается в кремний с периодом полураспада в пару минут. Нейтронно-активированный алюминий не проявляет заметной активности через час или около того.

• Если бы вы строили эксперимент, в котором использовались детекторы на основе йодида цезия для наблюдения за мгновенными гамма-лучами от захвата нейтронов, но ваша конструкция защиты была ошибочной, и нейтроны проникали в кристаллы вашего детектора, вы также могли бы обнаружить излучение от распадов йода-128 (25 м). , изомер цезий-134m (2,9h) и цезий-134 в основном состоянии (2y). Мальчик привет, это была дорогая ошибка. Не то, чтобы я горький.

• Холодные нейтроны в воздухе вступают в реакцию переноса нуклонов с азотом,

  $$\rm ^{14}N + n \to p + {}^{14}C$$

  что имеет биологические последствия.

• Если у вас есть детектор дыма с источником ионизации америция, этот америций был получен путем многократного захвата нейтронов ураном в активной зоне реактора.

В общем, нейтроны, кинетическая энергия которых ниже энергии любого ядерного резонанса, имеют поперечное сечение

где$E_\text{thermal} \approx \rm \frac{1}{40}\,eV$— кинетическая энергия, связанная с «комнатной температурой». Нижняя граница ядерных резонансов находится в диапазоне килоэВ, поэтому приближение подходит практически для всех нейтронов в миллиэВ. Зависимость от энергии часто называют поперечным сечением «один больше пяти», имея в виду скорость нейтрона.$v = \sqrt{2E/m}$. Манящая интерпретация$1/v$Зависимость сечения заключается в том, что вероятность захвата нейтрона пропорциональна времени «пребывания» нейтрона в окрестности ядра.

Наименьшие энергии разделения нейтронов составляют мегаэВ, поэтому кинетическая энергия нейтрона в миллиэВ совершенно незначительна в реакции захвата.

На самом деле сечение захвата нейтронов обычно выше для более медленных нейтронов (вот почему вам нужен замедлитель в ядерном реакторе, который замедляет горячие нейтроны, высвобождаемые в реакциях деления). Для ядерных реакций с энергетической точки зрения не имеет значения, являются ли нейтроны тепловыми или холодными (несколько эВ не имеют значения в энергетических масштабах, о которых мы говорим).

Нейтрон, захваченный ядром, высвобождает энергию связи из-за сильного ядерного взаимодействия. Начальная конфигурация обычно находится в возбужденном состоянии, часто$\gamma$-излучение при релаксации ядра в основное состояние. Результатом вполне может быть нестабильное ядро.

По мере увеличения содержания нейтронов в ядре оно может перестать быть устойчивым к$\beta$-распад, так что результатом может быть нестабильное ядро.

В Википедии есть полезная статья: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_capture , в ней есть карта нуклидов с сечениями захвата тепловых нейтронов и примерами реакций.

Все гораздо сложнее, чем предполагает ваш вопрос.

Как отмечает Себастьян Ризе, более высокая энергия обычно означает более низкое поперечное сечение. Есть много сложностей. На некоторых промежуточных энергиях возникают резонансы. Он уходит далеко от вашего вопроса. Но оставим это в стороне. Допустим, есть взаимодействие.

Это будет зависеть от ядра-мишени. Это даст вам много возможных результатов.

В дальнейшем вы должны понимать, что многие из этих реакций могут производить некоторые дополнительные гамма-излучения по пути. Если реакция переводит ядро ​​в состояние с повышенной энергией, изомер , то оно может испустить гамма-излучение, чтобы релаксировать обратно в основное состояние. Даже с этим предупреждением я умалчиваю о многих деталях.

Для некоторых изотопов падающий нейтрон может вызвать деление. В результате часто получаются два фрагмента исходного ядра плюс несколько нейтронов. Число нейтронов случайно и обычно находится в диапазоне от 1 до 3, в зависимости от типа ядра и энергии нейтрона. Фрагменты очень часто радиоактивны, поскольку они, скорее всего, содержат слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными. Есть несколько возможных радиоактивных распадов, за которыми они могут следовать, в зависимости от того, каким изотопом они являются. Они могут выпустить нейтрон. Они могут выпустить альфа-частицу. Они могут бета-распадаться. Некоторые могут осуществлять захват электронов. И многие из них будут испускать гамма-излучение на пути к какому-то другому распаду. Осколки деления представляют собой «суп» из множества различных типов излучения с разными энергиями и разными периодами полураспада.

Многие изотопы могут захватывать падающий нейтрон. В зависимости от энергии входящего нейтрона это может произойти несколькими способами.

Если для образовавшегося ядра существует доступное энергетическое состояние, оно может просто поглотить нейтрон. Гораздо более привычна так называемая n-гамма-реакция. Нейтрон поглощается, и ядро ​​немедленно испускает гамма-излучение, позволяя ему перейти в одно из доступных ему энергетических состояний. Это может привести к новому ядру с еще одним нейтроном. Этот новый изотоп может быть стабильным или радиоактивным. Это будет зависеть от исходного ядра и энергии прилетающего нейтрона.

Например, рассмотрим железо. Природное железо имеет четыре изотопа: Fe54, Fe56, Fe57 и Fe58. Fe56 на сегодняшний день является наиболее распространенным. Но ради интереса предположим, что ядром-мишенью является Fe54, что составляет 5,85% природного железа. Так что он ловит нейтрон и становится Fe55. Fe55 может захватывать электроны с периодом полураспада 2,73 года и превращаться в Mn55, который является стабильным.

Есть и другие вещи, которые может сделать падающий нейтрон. Одна важная реакция называется «отслаиванием». Входящий нейтрон может вызвать выброс нейтронов из ядра-мишени. Это называется n-2n реакцией. Это может произойти в свинце. В результате свинец может быть плохим выбором для защиты от нейтронов, поскольку он может привести к большему количеству нейтронов, чем вы начали. Они будут иметь меньшую энергию, чем вы начали, но их будет больше. А в некоторых ситуациях это даже хуже, чем полное отсутствие защиты.

Что касается ядра свинца, свинец имеет четыре стабильных изотопа: Pb204, Pb206, Pb207 и Pb208. Таким образом, если отслоение переходит от одного к другому, оно остается стабильным. PB205 может захватывать электроны (возможно, после высвобождения некоторого количества гамма-излучения) с периодом полураспада 17,3 миллиона лет. А PB203 может захватывать электроны до Tl203 с периодом полураспада 51,9 часа, а Tl203 стабилен.

Возможны и другие реакции, в зависимости от задействованного ядра. Но это уже достаточно сложно.

Итак, подытожим. Это зависит от энергии падающего нейтрона и типа ядра, с которым он сталкивается. Он может производить новый стабильный изотоп или радиоактивный изотоп в результате одной из нескольких реакций. И он может испускать несколько различных типов излучения.