Почему гадолиний имеет самое высокое нейтронное сечение?

Добро пожаловать в мир ядерной физики, где ответ: «Все немного сложнее».

2. Плотность твердого тела

Вы можете это исключить: сечения приведены в таблице для каждого атома мишени.

1. Размер ядра, т. е. строго увеличивающийся с (N+Z).

Это хорошая догадка, но вы упускаете из виду важную особенность физики тепловых нейтронов: важным параметром размера является не диаметр ядра, а размер волнового пакета нейтрона, масштабный параметр которого чем-то похож на длину волны нейтрона. Тепловые нейтроны имеют длину волны в несколько ангстрем ($1\text{ Å} = 10^{-10}\,\rm m$), на много порядков больше физического размера ядра.

Фактический результат больше связан со структурой ядра: чтобы произошла реакция захвата, должно существовать конечное состояние, доступное для приема нейтрона с правильной энергией и квантовыми числами. Если вы посмотрите на таблицу изотопов ( см. также ), вы обнаружите, что гадолиний и его соседи из лантанидов довольно далеки от каких-либо ядерных магических чисел . Это означает, что они имеют очень высокую плотность ядерных состояний и их легко возбудить --- и это увеличивает вероятность резонанса в ядре.$\rm^{158}Gd^*$энергия и квантовые числа которого перекрываются с основным состоянием$\rm^{157}Gd$и нейтрон в миллиэВ.

Файл данных о структуре ядра для$\rm^{158}Gd$цитирует эту статью 1978 года в описании структуры резонанса. Эта ссылка (к которой я не могу получить доступ), по-видимому, относится к резонансному состоянию в$\rm^{157}Gd$с энергией около тридцати миллиэВ, что примерно соответствует энергии нейтрона при комнатной температуре. Это утверждение не сразу мне понятно, но на кривой поперечного сечения есть перегиб при тепловой энергии.

Если вы посмотрите сечения захвата нейтронов в таблице изотопов ( эта ссылка должна работать )

вы можете увидеть свой кластер прометия в гадолиний высоко-$\sigma$изотопы справа от$N=82$магическое число. На полпути между$N=50$и$N=82$магические числа — еще один очень сильный поглотитель — кадмий. Вы также можете видеть, что элементы на урановом острове стабильности также являются активными поглотителями нейтронов.

В гадолинии также наблюдаются парные эффекты. Нуклоны не любят одиночества, поэтому ядра с нечетными$N$или нечетный$Z$( или оба ) менее стабильны, чем их четные соседи. Гадолиний, как и многие тяжелые даже-$Z$элементов, имеет целую кучу стабильных изотопов, но даже-$N$изотопы более прочно связаны, чем нечетные.$N$изотопы. Если вы посмотрите на нейтронные сечения для всех изотопов гадолиния, вы увидите, как отчаянно$N$виды хотят собрать лишний нейтрон:

isotope   σ (barn)
-------   --------
Gd-152       735
Gd-153     22310
Gd-154        85
Gd-155     60740
Gd-156         1.8
Gd-157    253700
Gd-158         2.2
Gd-159    (unstable)
Gd-160         1.4