Резонансное поглощение нейтронов — это квантово-механический процесс, при котором вероятность взаимодействия нейтрона с ядром резко возрастает на определённых энергиях, соответствующих энергетическим уровням возбуждённого ядра. Эти энергии называются резонансными, а пики в сечении взаимодействия — резонансами.
Физически данный процесс связан с возможностью ядра захватить нейтрон и перейти во временное возбуждённое состояние, называемое компаунд-ядром, после чего это состояние распадается с испусканием γ-кванта или с выбросом частиц.
Общее сечение поглощения нейтрона ядром представляет собой суперпозицию трёх вкладов:
В области резонансов сечение поглощения описывается выражением Брейта–Вигнера:
$$ \sigma(E) = \pi \lambda^2 \cdot \frac{g \cdot \Gamma_n \cdot \Gamma}{(E - E_r)^2 + (\Gamma/2)^2} $$
где: — σ(E) — полное сечение поглощения, — λ — длина волны нейтрона, — g — статистический фактор, — Γn — ширина нейтронного канала, — Γ — полная ширина уровня (сумма всех частичных ширин), — E — энергия нейтрона, — Er — резонансная энергия.
Резонанс проявляется как пик в σ(E), резко возрастающий при E ≈ Er. Чем уже пик (меньше Γ), тем выше его амплитуда.
Фактор g зависит от спинов нейтрона s, ядра I и компаунд-состояния J:
$$ g = \frac{2J+1}{(2s+1)(2I+1)} $$
Он отражает вероятность того, что взаимодействие приведёт к возбуждению состояния с определённым J. Если имеется несколько резонансных уровней, каждый из них будет иметь собственные Er, Γ, Γn и g.
Полная ширина уровня Γ — это характеристика времени жизни компаунд-состояния. Чем меньше Γ, тем дольше живёт возбуждённое ядро. Полная ширина включает:
Если Γn ≫ Γγ, то вероятность повторного испускания нейтрона высока — резонанс скорее упругий. Если наоборот — происходит радиационный захват.
На практике резонансная кривая не всегда симметрична. Возможны эффекты интерференции между резонансным и потенциальным рассеянием, особенно при наложении нескольких резонансов.
В зависимости от относительной фазы амплитуд, форма резонансной линии может быть искажена: один «скат» станет более пологим, другой — более крутым. Такое поведение описывается с помощью формул Фано и теории комплексных амплитуд.
У тяжёлых ядер (например, уран, плутоний) плотность уровней возбуждения велика, и резонансы следуют очень часто, особенно на энергиях порядка 1–1000 эВ. Область от ~1 эВ до ~100 кэВ называется областью разрешённых резонансов, где каждый резонанс можно экспериментально выделить.
На более высоких энергиях (~100 кэВ и выше) резонансы начинают перекрываться, и их вклад усредняется. Возникает область сглаженных резонансов. Там уже применяются статистические модели (например, модели Хаузенгера–Феша).
В ядерных реакторах резонансное поглощение играет ключевую роль в:
Если концентрация ядер с резонансами (например, урана-238) высока, то нейтроны, двигаясь через вещество, не могут достичь ядер вблизи резонансной энергии, так как уже ранее поглощаются. Это приводит к уменьшению эффективного сечения — явление самоэкранирования.
Эффективное сечение в таких условиях рассчитывается как усреднённое по спектру нейтронов с учётом геометрии и энергетической зависимости.
Нейтроны, рождающиеся в делении, имеют энергии порядка 1–2 МэВ и затем замедляются до тепловых. Во время замедления они проходят через резонансные области, где вероятность захвата велика. Это называется резонансным выгоранием.
Для оценки потерь нейтронов в этой фазе вводится параметр резонансного интеграла:
$$ I = \int_{E_{min}}^{E_{max}} \frac{\sigma(E)}{E} \, dE $$
Он учитывает всю резонансную структуру ядра и важен при расчётах выгорания топлива и проектировании замедляющей среды.
Эти ядра обладают высокой способностью к непроизводящему захвату нейтронов, что важно при балансе нейтронов в реакторе.
Изучение резонансных сечений осуществляется с помощью времени пролёта (time-of-flight). Метод заключается в измерении времени, за которое нейтроны пролетают известное расстояние от источника до детектора. Зная это время, определяют энергию нейтрона и строят зависимость σ(E).
Такие эксперименты требуют:
Основные теоретические подходы:
Таким образом, резонансное поглощение — фундаментальный процесс ядерной физики, критически важный для управления ядерными реакциями, расчёта реакторной кинетики и технологического использования нейтронов.