Нейтронная физика

Основы нейтронной физики

Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая в состав атомных ядер. Его масса составляет m_n ≈ 1.6749 × 10⁻²⁷ кг, что лишь немного превышает массу протона. Магнитный момент нейтрона μ_n = −1.913 μ_N (где μ_N — ядерный магнетон), указывает на его составную структуру — нейтрон не является элементарной частицей, а состоит из кварков.

Среднее время жизни свободного нейтрона τ ≈ 880 с, после чего он распадается по схеме n → p + e⁻ + ν̅_e (бета-распад), испуская электрон и антинейтрино.

Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтроны, будучи электрически нейтральными, не взаимодействуют с веществом электромагнитно, а потому способны проникать глубоко в материалы. Их взаимодействие осуществляется за счёт:

Ядерных сил: короткодействующее сильное взаимодействие с ядрами атомов.
Слабого взаимодействия: проявляется в бета-распаде.
Гравитации: пренебрежимо мало в ядерной физике.

Основные типы взаимодействия нейтронов с ядрами:

Упругое рассеяние: нейтрон сохраняет свою энергию (в системе центра масс) и изменяет направление.
Неупругое рассеяние: часть энергии переходит ядру, которое может быть возбуждено.
Захват (радиационный): нейтрон поглощается ядром, сопровождается гамма-излучением.
Деление ядра: в тяжёлых элементах, как уран-235, захват нейтрона может привести к делению ядра.
(n,α), (n,p)-реакции: возможны при высоких энергиях.

Энергетическая классификация нейтронов

Нейтроны классифицируют по их кинетической энергии:

Тепловые нейтроны: E < 0.5 эВ Находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой (T ≈ 300 К). Широко используются в ядерных реакторах.
Резонансные нейтроны: E ≈ 1–100 эВ Происходит усиленное поглощение из-за резонансных уровней в ядрах.
Промежуточные нейтроны: E ≈ 100 эВ – 0.5 МэВ
Быстрые нейтроны: E ≈ 0.5–10 МэВ Типичные в реакциях деления.
Сверхбыстрые нейтроны: E > 10 МэВ Продукты спалловных и термоядерных процессов.

Сечение взаимодействия

Сечение взаимодействия — вероятность определённого типа взаимодействия между нейтроном и ядром. Измеряется в барнах: 1 барн = 10⁻²⁴ см².

Обозначения:

σ_с — сечение захвата
σ_р — сечение рассеяния
σ_ф — сечение деления
σ_общ = σ_с + σ_р + σ_ф — общее эффективное сечение

Сечения зависят от энергии нейтрона. Для тепловых нейтронов сечение поглощения примерно σ ∼ 1/√E, что означает увеличение сечения при понижении энергии.

Замедление нейтронов (модерация)

Замедление быстрых нейтронов до тепловых осуществляется путём многократного упругого рассеяния на лёгких ядрах. Важнейшие параметры:

Средняя доля потери энергии за один удар: ξ = 1 + (A−1)²/(2A) × ln[(A−1)/(A+1)] (где A — массовое число ядра-замедлителя)

Наиболее эффективные замедлители:

Водород (вода, тяжёлая вода)
Углерод (графит)
Бериллий

Процесс замедления описывается логарифмической величиной — числом замедления Z:

Z = ln(E₀/E)/ξ

где E₀ — начальная энергия нейтрона, E — конечная.

Распространение нейтронов: диффузионная модель

При больших количествах нейтронов удобно применять статистическое описание. В рамках нейтронной диффузии нейтронный поток φ(r, t) удовлетворяет уравнению:

∂φ/∂t = D∇²φ − Σ_aφ + S

где:

D — коэффициент диффузии нейтронов
Σ_a — макроскопическое сечение поглощения
S — источник нейтронов

Диффузионная длина L определяется как:

L² = D / Σ_a

и характеризует расстояние, на котором поток уменьшается в e раз.

Ядерная реакция деления и размножение нейтронов

При делении тяжелых ядер (например, ²³⁵U или ²³⁹Pu) на два осколка выделяется 2–3 нейтрона и порядка 200 МэВ энергии. Возникает цепная реакция, которая возможна при выполнении условия:

k = число нейтронов следующего поколения / число нейтронов текущего > 1

Параметр k называется коэффициентом размножения нейтронов:

k < 1 — затухающая реакция
k = 1 — стационарная цепная реакция
k > 1 — лавинообразная реакция (взрыв)

Для устойчивости цепной реакции используют замедлители, отражатели и регулирующие стержни.

Детектирование нейтронов

Из-за отсутствия заряда нейтроны не вызывают ионизацию напрямую. Поэтому их регистрация осуществляется через вторичные реакции:

Газоразрядные детекторы с веществами, активно поглощающими нейтроны (³He, ¹⁰B, ⁶Li).
Сцинтилляционные детекторы, регистрирующие частицы, возникшие при реакциях с нейтронами.
Пропорциональные счетчики, чувствительные к (n,α) и (n,p)-реакциям.

Например, в ³He-детекторе:

n + ³He → p + ³H + 0.76 МэВ

Применения нейтронной физики

Ядерная энергетика: деление с замедлением нейтронов.
Реакторная физика: расчёт потоков, сечений, критичности.
Нейтронография и томография: использование нейтронов для изучения структуры веществ.
Активационный анализ: определение элементов по наведённой радиоактивности.
Фундаментальные исследования: изучение структуры вещества, слабого взаимодействия, бета-распада.
Медицинская физика: нейтронная терапия.

Ультрахолодные нейтроны

Особая область — нейтроны с энергией E < 10⁻⁷ эВ. Их скорость менее 8 м/с. Такие нейтроны способны отражаться от поверхности веществ под любым углом (тотальное отражение) и удерживаться в “нейтронных бутылках”. Они используются:

для высокоточной спектроскопии,
для измерения дипольного момента нейтрона,
для поиска нарушений CP-симметрии.

Роль нейтронов в астрофизике

В нейтронных звёздах материя сжата до плотностей порядка ρ ≈ 10¹⁴–10¹⁵ г/см³, и состоит в основном из нейтронов. Понимание свойств нейтронов критично для моделирования:

сверхновых,
процессов r-захвата (быстрого нейтронного захвата) в нуклеосинтезе,
уравнений состояния плотной материи.

Нейтроны также играют роль в космологии — при нуклеосинтезе в первые минуты после Большого взрыва.

Современные направления

Измерение магнитного момента и времени жизни нейтрона с высочайшей точностью.
Поиск новых взаимодействий: тёмная материя, стерильные нейтрино.
Разработка компактных нейтронных источников и ускорителей.
Сверхчувствительные методы регистрации, включая когерентное рассеяние и интерферометрию.

Нейтронная физика остаётся краеугольным камнем как прикладной, так и фундаментальной физики, объединяя в себе квантовые, ядерные, термоядерные, астрофизические и технологические аспекты.