Падают ли нейтроны в центр Земли?

Чтобы поместить некоторые данные по комментариям выше, вот график (из ENDF ) для O-16 поперечного сечения в зависимости от энергии нейтронов для всех взаимодействий нейтронов (синий) и только для захвата нейтронов, чтобы сделать O-17 (зеленый):

Конечно, при низких энергиях нейтроны будут делать многое, кроме поглощения. В основном они занимаются упругим рассеянием (попытка построить сечение упругого рассеяния приводит к тому, что линия прямо над полным поперечным сечением выходит за пределы 1 МэВ — таковы логарифмические масштабы). Но все же при очень низких энергиях нейтронов сечение поглощения составляет около 0,01 барн. В настоящее время горные породы в основном состоят из оксидов, а твердые вещества обычно немногочисленны.$10^{22}$атомов/см$^{2}$, так что давайте возьмем средний камень как$10^{22}$/см$^{3}$О-16. Из сечения 0,01 амбара ($10^{-26}$см$^{2}$), нейтрон должен будет пройти около 100 метров (общая длина пути), прежде чем он будет поглощен.

Я оставлю читателю в качестве упражнения определить, пролетит ли тепловой нейтрон так далеко, прежде чем его 10 минут жизни истекут, как свободный нейтрон, или нет.

Что касается упругого рассеяния, то, поскольку сечение на 4 порядка выше при самых низких энергиях, нейтрон проходит около 1 см до рассеяния. Кинематически, поскольку нейтрон легче ядра, он может рассеиваться во всех направлениях. Оценивая это как трехмерное случайное блуждание, общая длина пути в 100 метров приводит к гораздо меньшему чистому перемещению, менее 10 метров.

Космические лучи генерируют свободные нейтроны в результате расщепления ядер в земной атмосфере, земной коре и недрах Земли. Немногие космические лучи достигают глубоких недр, потому что Земля — довольно хороший щит.

Твердые породы непрозрачны для нейтронов по той же причине, по которой облака непрозрачны для света. Учтите, что грозовые тучи состоят из капель воды и кристаллов льда, которые почти полностью прозрачны. Почему же тогда темнеет под грозовой тучей? Капли воды и кристаллы льда в облаке являются очень эффективными рассеивателями света, поэтому свет в любом месте облака переориентируется в случайном направлении, с такой же вероятностью возвращаясь к солнцу, как и продолжая опускаться к земле. По мере того, как облако становится все толще и толще, доля солнечного света, проникающего к нижней части облака, становится все меньше и меньше. Облака никогда полностью не блокируют солнечный свет (на Земле), но в нашем в основном прозрачном океане есть батипелагическая зона , куда солнечный свет не проникает.

Длина свободного пробега нейтрона в горной породе зависит от химического состава горной породы и вероятности того, что нейтроны будут захватывать или рассеиваться от каждого химического вещества в горной породе, а также от ее плотности. Но учтите, что ядерный реактор, содержащий много свободных нейтронов, эффективно экранирован десятками метров (не сотнями) воды и бетона. Средний свободный пробег нейтрона под землей будет больше десяти метров, чем километра. Нейтроны с поверхности не собираются проникать в ядро ​​Земли.

Нейтрон, просачивающийся вверх с поверхности Земли, рассеется достаточное количество раз, чтобы иметь примерно ту же температуру, что и поверхность Земли, и поэтому будет вести себя как компонент земной атмосферы . Высота шкалы для атмосферных нейтронов будет больше похожа на высоту шкалы для водорода и гелия, чем на высоту шкалы для азота или кислорода, поэтому нейтроны могут диффундировать в экзосферу. Доля атмосферных нейтронов на уровне земли, которые улетают в экзосферу до того, как распадутся или будут захвачены (в основном азотом), может стать хорошей домашней задачей.