НЕЙТРОН
(англ. neutron, от лат. neuter-ни тот, ни другой), электрически нейтральная элементарная частица (символ п), входящая наряду с протонами (р)в состав практически всех атомных ядер. Общее название Н. и протонов в атомном ядре-нуклоны. Н. открыт в 1932 Дж. Чедвиком. Число Н. Nв атомном ядре равно разности массового числа Аи заряда ядра Z: N = А ЧZ; для стабильных ядер легких и средних элементов Nпримерно равно числу протонов Z; для тяжелых стабильных ядер Nв 1,3-1,5 раз больше Z.
Для исследований строения в-ва используют тепловые Н., энергия к-рых сравнима с энергией тепловых колебаний атомов в твердом теле. При рассеянии тепловых Н. на монокристаллах имеет место дифракция Н. (см. Дифракционные методы). Наличие у Н. магн. дипольного момента вызывает рассеяние Н. на атомах, что дает возможность изучать магн. структуру материалов (см. Нейтронография).
Для регистрации Н. применяют детекторы, в материале к-рых Н. вызывают ядерные р-ции, сопровождающиеся образованием вторичных заряженных частиц, к-рые далее и регистрируют [напр., в детекторе на основе В при ядерной р-ции 10 В ( п,a) 7 Li возникают a-частицы].
Нейтронные пучки практически используются при синтезе радионуклидов, получении трансурановых элементов, в хим. анализе (см. Нейтронно-абсорбционный анализ, Актива-ционный анализ), горном деле (нейтронный каротаж), нейтронной авторадиографии (см. Радиография). В земной атмосфере свободные Н. непрерывно образуются в результате взаимод. космич. излучения с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Эти Н. приводят к непрерывному образованию в атмосфере радиоактивного 14 С при ядерной р-ции 14 N(n, p) 14 C, на чем основан радиоуглеродный метод геохронологии. Об имеющих практич. значение источниках Н. см. в ст. Нейтронные источники.
Лит.: Власов Н. А., Нейтроны, 2 изд., М., 1971. С. С. Бердоносов.
Полезное
Смотреть что такое «НЕЙТРОН» в других словарях:
Нейтрон — Символ Масса 939,565378(21) МэВ[1], 1,674927351(74)·10−27 кг[1], 1,00866491600(43) а. е. м … Википедия
НЕЙТРОН — (англ. neutron от лат. neuter ни тот, ни другой) (n), нейтральная элементарная частица со спином 1/2 и массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс; относится к барионам. В свободном состоянии нейтрон нестабилен и имеет время жизни… … Большой Энциклопедический словарь
НЕЙТРОН — (англ. neutron, от лат. neuter ни тот, ни другой) (n), электрически нейтральная элем. ч ца со спином 1/2 и массой, незначительно превышающей массу протона; относится к классу адронов и входит в группу барионов. Из протонов и Н. построены все ядра … Физическая энциклопедия
НЕЙТРОН — (n), нейтральная элементарная частица с массой, незначительно превышающей массу протона. Открыта и названа английским физиком Дж. Чедвиком в 1932. Нейтроны устойчивы только в составе ядер. Масса нейтрона равна 1,7?10 24 г. Свободный нейтрон… … Современная энциклопедия
НЕЙТРОН — (обозначение n), незаряженная ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА в ядрах всех химических элементов, кроме самого легкого изотопа ВОДОРОДА. Открыт Джеймсом ЧЕДВИКОМ. Вне ядра атома нейтрон нестабилен, разрушается с периодом полураспада 11,6 минут, превращаясь в … Научно-технический энциклопедический словарь
нейтрон — нуклон Словарь русских синонимов. нейтрон сущ., кол во синонимов: 2 • нуклон (5) • частица … Словарь синонимов
Нейтрон — нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро. В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом,… … Термины атомной энергетики
Нейтрон — (n), нейтральная элементарная частица с массой, незначительно превышающей массу протона. Открыта и названа английским физиком Дж. Чедвиком в 1932. Нейтроны устойчивы только в составе ядер. Масса нейтрона равна 1,7ґ10 24 г. Свободный нейтрон… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
НЕЙТРОН — НЕЙТРОН, нейтрона, муж. (от лат. neutrum, букв. ни то, ни другое) (физ. неол.). Входящая в ядро атома материальная частица, лишенная электрического заряда, электрически нейтральная. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
НЕЙТРОН — НЕЙТРОН, а, муж. (спец.). Электрически нейтральная элементарная частица с массой, почти равной массе протона. | прил. нейтронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Атомы химический элемент которые различаются только числом нейтронов, называются изотопы. Например, углерод, с атомным номером 6, имеет обильный изотоп углерод-12 с 6 нейтронами и редким изотопом углерод-13 с 7 нейтронами. Некоторые элементы встречаются в природе только с одним стабильный изотоп, Такие как фтор. Другие элементы встречаются со многими стабильными изотопами, такими как банка с десятью стабильными изотопами.
Свободные нейтроны, хотя и не ионизируют непосредственно атомы, вызывают ионизирующего излучения. Как таковые, они могут представлять биологическую опасность в зависимости от дозы. [9] На Земле существует небольшой естественный «нейтронный фоновый» поток свободных нейтронов, вызванный космический луч душ, а также естественной радиоактивностью спонтанно делящихся элементов в земной коры. [10] Преданный источники нейтронов подобно нейтронные генераторы, исследовательские реакторы и источники отслаивания производить свободные нейтроны для использования в облучение И в рассеяние нейтронов эксперименты.
Содержание
Описание
Свободный нейтрон нестабилен, разлагающийся к протону, электрону и антинейтрино с средняя продолжительность жизни чуть менее 15 минут ( 879.6 ± 0,8 с ). [15] Этот радиоактивный распад, известный как бета-распад, возможно, потому что масса нейтрона немного больше массы протона. Свободный протон стабилен. Нейтроны или протоны, связанные в ядре, могут быть стабильными или нестабильными, однако, в зависимости от нуклид. Бета-распад, при котором нейтроны распадаются на протоны или наоборот, регулируется слабая сила, и это требует испускания или поглощения электронов и нейтрино или их античастиц.
Открытие
История открытия нейтрона и его свойств занимает центральное место в выдающихся достижениях в атомной физике, произошедших в первой половине 20-го века, что в конечном итоге привело к созданию атомной бомбы в 1945 году. В модели Резерфорда 1911 года атом состоял из небольшое положительно заряженное массивное ядро, окруженное гораздо большим облаком отрицательно заряженных электронов. В 1920 году Резерфорд предположил, что ядро состоит из положительных протонов и нейтрально заряженных частиц, предположил, что это протон и электрон, каким-то образом связанные. [18] Предполагалось, что электроны находятся внутри ядра, потому что было известно, что бета-излучение состоял из электронов, вылетевших из ядра. [18] Резерфорд назвал эти незаряженные частицы нейтроны, посредством латинский болеть за нейтралис (средний) и Греческий суффикс -на (суффикс, используемый в названиях субатомных частиц, т.е. электрон и протон). [19] [20] Ссылки на слово нейтрон в связи с атомом можно найти в литературе еще в 1899 году. [21]
На протяжении 1920-х годов физики предполагали, что ядро атома состоит из протонов и «ядерных электронов». [22] [23] но были очевидные проблемы. Было сложно согласовать протон-электронную модель ядер с Соотношение неопределенностей Гейзенберга квантовой механики. [24] [25] В Парадокс Клейна, [26] обнаружен Оскар Кляйн в 1928 году представил дальнейшие квантово-механические возражения против идеи электрона, заключенного в ядре. [24] Наблюдаемые свойства атомов и молекул не соответствовали ядерному спину, ожидаемому из протон-электронной гипотезы. И протоны, и электроны несут собственный спин 1/2час. Изотопы одного и того же вида (т.е. имеющие одинаковое количество протонов) могут иметь как целочисленный, так и дробный спин, то есть спин нейтрона также должен быть дробным (½час). Однако нет способа расположить спины электрона и протона (предполагается, что они соединяются с образованием нейтрона), чтобы получить дробный спин нейтрона.
В 1931 г. Вальтер Боте и Герберт Беккер обнаружил, что если альфа-частица излучение от полоний упал на бериллий, бор, или же литийвозникло необычно проникающее излучение. На излучение не влияло электрическое поле, поэтому Боте и Беккер предположили, что оно было гамма-излучение. [27] [28] В следующем году Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри в Париже показали, что если это «гамма-излучение» попадет на парафин, или любой другой водород-содержащее соединение, оно выбрасывает протоны очень высокой энергии. [29] Ни Резерфорд, ни Джеймс Чедвик на Кавендишская лаборатория в Кембридж убедились в интерпретации гамма-лучей. [30] Чедвик быстро провел серию экспериментов, которые показали, что новое излучение состоит из незаряженных частиц с массой примерно такой же, как и у протона. [7] [31] [32] Эти частицы были нейтронами. Чедвик выиграл 1935 год. Нобелевская премия по физике за это открытие. [2]
Модели атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, были быстро разработаны Вернер Гейзенберг [33] [34] [35] и другие. [36] [37] Протон-нейтронная модель объяснила загадку ядерных спинов. Происхождение бета-излучения было объяснено Энрико Ферми в 1934 г. процесс бета-распада, в котором нейтрон распадается на протон за создание электрон и (пока не открытое) нейтрино. [38] В 1935 году Чедвик и его докторант Морис Голдхабер сообщил о первом точном измерении массы нейтрона. [39] [40]
Бета-распад и стабильность ядра
Нейтроны и протоны, связанные в ядре, образуют квантово-механическую систему, в которой каждый нуклон связан в определенном иерархическом квантовом состоянии. Протоны могут распадаться на нейтроны или наоборот внутри ядра. Этот процесс, называемый бета-распад, требует испускания электрона или позитрон и связанный нейтрино. Эти испускаемые частицы уносят избыток энергии, когда нуклон падает из одного квантового состояния в состояние с более низкой энергией, в то время как протон (или нейтрон) превращается в нейтрон (или протон). Такие процессы распада могут происходить только в том случае, если это разрешено основными законами сохранения энергии и квантово-механическими ограничениями. От этих ограничений зависит стабильность ядер.
Распад свободного нейтрона
Вне ядра свободные нейтроны нестабильны и имеют средняя продолжительность жизни из 879.6 ± 0,8 с (около 14 минут 40 секунд); Следовательно период полураспада для этого процесса (который отличается от среднего времени жизни в раз пер(2) = 0.693 ) является 610.1 ± 0,7 с (около 10 минут 10 секунд). [49] [50] Этот распад возможен только потому, что масса протона меньше массы нейтрона. По эквивалентности массы и энергии, когда нейтрон распадается на протон таким образом, он достигает более низкого энергетического состояния. Бета-распад нейтрона, описанный выше, можно обозначить радиоактивный распад: [51]
Небольшая часть (примерно один из 1000) свободных нейтронов распадается с теми же продуктами, но с добавлением дополнительной частицы в виде испускаемого гамма-луча:
Этот гамма-луч можно рассматривать как «внутренний тормозное излучение»который возникает из-за электромагнитного взаимодействия испускаемой бета-частицы с протоном. Образование внутреннего тормозного гамма-излучения также является второстепенным признаком бета-распада связанных нейтронов (как обсуждается ниже).
Превращение свободного протона в нейтрон (плюс позитрон и нейтрино) энергетически невозможно, поскольку свободный нейтрон имеет большую массу, чем свободный протон. Но столкновение протона с электроном или нейтрино при высоких энергиях может привести к образованию нейтрона.
Связанный нейтронный распад
В то время как свободный нейтрон имеет период полураспада около 10,2 мин, большинство нейтронов в ядрах стабильны. Согласно модель ядерной оболочки, протоны и нейтроны нуклид площадь квантово-механическая система организованы в отдельные уровни энергии с уникальным квантовые числа. Для распада нейтрона образовавшемуся протону требуется доступное состояние с меньшей энергией, чем исходное состояние нейтрона. В стабильных ядрах все возможные состояния с более низкой энергией заполнены, что означает, что каждое из них занято двумя протонами с вращение вверх и вниз. В Принцип исключения Паули поэтому запрещает распад нейтрона на протон в стабильных ядрах. Ситуация аналогична электронам в атоме, где электроны имеют различные атомные орбитали и предотвращаются от распада в более низкие энергетические состояния с испусканием фотон, по принципу исключения.
Нейтроны в нестабильных ядрах могут распадаться бета-распад как описано выше. В этом случае для протона, образовавшегося в результате распада, доступно энергетически разрешенное квантовое состояние. Одним из примеров этого распада является углерод-14 (6 протонов, 8 нейтронов), который распадается на азот-14 (7 протонов, 7 нейтронов) с периодом полураспада около 5730 лет.
Внутри ядра протон может превратиться в нейтрон через обратный бета-распад, если для нейтрона доступно энергетически разрешенное квантовое состояние. Это преобразование происходит при испускании позитрона и электронного нейтрино:
Превращение протона в нейтрон внутри ядра также возможно через захват электронов:
Захват позитронов нейтронами в ядрах, содержащих избыток нейтронов, также возможен, но он затруднен, поскольку позитроны отталкиваются положительным ядром и быстро уничтожать когда они сталкиваются с электронами.
Конкуренция типов бета-распада
Три конкурирующих типа бета-распада иллюстрируются одним изотопом медь-64 (29 протонов, 35 нейтронов), период полураспада которого составляет около 12,7 часов. У этого изотопа один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому либо протон, либо нейтрон могут распадаться. Этот конкретный нуклид почти с одинаковой вероятностью подвергнется распаду протона (по позитронное излучение, 18% или на захват электронов, 43%) или распад нейтрона (эмиссией электронов, 39%).
Распад нейтрона по физике элементарных частиц
В теоретических рамках Стандартная модель для физики элементарных частиц нейтрон состоит из двух нижних кварков и верхнего кварка. Единственно возможный режим распада нейтрона, который сохраняет барионное число для одного из кварков нейтрона изменять вкус через слабое взаимодействие. Распад одного из нижних кварков нейтрона в более легкий верхний кварк может быть достигнут путем испускания W-бозон. Посредством этого процесса, описываемого Стандартной моделью бета-распада, нейтрон распадается на протон (который содержит один нижний и два верхних кварка), электрон и электронный антинейтрино.
Распад протона на нейтрон происходит аналогичным образом через электрослабую силу. Распад одного из верхних кварков протона на нижний кварк может быть осуществлен путем испускания W-бозона. Протон распадается на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Эта реакция может происходить только внутри атомного ядра, которое имеет квантовое состояние с более низкой энергией, доступной для созданного нейтрона.
Внутренние свойства
Масса
Масса нейтрона не может быть напрямую определена масс-спектрометрии поскольку у него нет электрического заряда. Однако поскольку массы протона и дейтрон может быть измерена с помощью масс-спектрометра, масса нейтрона может быть вычислена путем вычитания массы протона из массы дейтрона, с разницей в массе нейтрона плюс энергия связи дейтерия (выражается как положительная излучаемая энергия). Последнюю можно непосредственно измерить, измерив энергию ( B d 
) сингла 0,7822 МэВ гамма-фотон излучается, когда дейтрон образуется протоном, захватывающим нейтрон (это экзотермический процесс и происходит с нейтронами с нулевой энергией). Малая кинетическая энергия отдачи ( E р d ) дейтрона (около 0,06% от полной энергии) также необходимо учитывать.
Значение массы нейтрона в МэВ известно менее точно из-за меньшей точности известного преобразования ты до МэВ: [54]
Другой метод определения массы нейтрона начинается с бета-распада нейтрона, когда измеряются импульсы образовавшихся протона и электрона.
Электрический заряд
Магнитный момент
в кварковая модель за адроны, нейтрон состоит из одного кварка вверх (заряд +2/3е) и два нижних кварка (заряд −1/3е). [55] Магнитный момент нейтрона можно смоделировать как сумму магнитных моментов составляющих кварков. [57] Расчет предполагает, что кварки ведут себя как точечные дираковские частицы, каждая из которых имеет свой магнитный момент. Упрощенно, магнитный момент нейтрона можно рассматривать как результат векторной суммы трех магнитных моментов кварков плюс орбитальные магнитные моменты, вызванные движением трех заряженных кварков внутри нейтрона.
Вышеупомянутый подход сравнивает нейтроны с протонами, позволяя вычесть сложное поведение кварков между моделями и просто исследуя, каковы будут эффекты различных зарядов кварков (или типа кварков). Таких вычислений достаточно, чтобы показать, что внутренняя часть нейтронов очень похожа на внутреннюю часть протонов, за исключением разницы в составе кварков с нижним кварком в нейтроне, заменяющим верхний кварк в протоне.
| Барион | Магнитный момент кварковой модели | Вычислено ( μ N ) | Наблюдаемый ( μ N ) |
|---|---|---|---|
| п | 4/3 μты − 1/3 μd | 2.79 | 2.793 |
| п | 4/3 μd − 1/3 μты | −1.86 | −1.913 |
Результаты этого расчета обнадеживают, но массы верхних или нижних кварков были приняты равными 1/3 массы нуклона. [57] На самом деле массы кварков составляют всего около 1% от массы нуклона. [61] Несоответствие проистекает из сложности Стандартной модели для нуклонов, в которой большая часть их массы происходит от глюон поля, виртуальные частицы и связанная с ними энергия, которые являются важными аспектами сильная сила. [61] [62] Более того, сложная система кварков и глюонов, составляющих нейтрон, требует релятивистского подхода. [63] Магнитный момент нуклона был успешно вычислен численно из первые принципы, однако, с учетом всех упомянутых эффектов и с использованием более реалистичных значений масс кварков. Расчет дал результаты, вполне согласующиеся с результатами измерения, но потребовал значительных вычислительных ресурсов. [64] [65]
Вращение
Как фермион, нейтрон подвержен воздействию Принцип исключения Паули; два нейтрона не могут иметь одинаковые квантовые числа. Это источник давление вырождения что делает нейтронные звезды возможный.
Структура и геометрия распределения заряда
Электрический дипольный момент
В Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает крошечное разделение положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона, что приводит к постоянному электрический дипольный момент. [70] Однако предсказанное значение намного ниже текущей чувствительности экспериментов. Из нескольких нерешенные головоломки в физике элементарных частиц, ясно, что Стандартная модель не является окончательным и полным описанием всех частиц и их взаимодействий. Новые теории идут за пределами стандартной модели обычно приводят к гораздо большим предсказаниям электрического дипольного момента нейтрона. В настоящее время проводится как минимум четыре эксперимента, в которых впервые пытаются измерить конечный электрический дипольный момент нейтрона, в том числе:
Антинейтрон
Нейтронные соединения
Динейтроны и тетранейтроны
Существование стабильных кластеров из 4 нейтронов, или тетранейтроныгипотеза была выдвинута группой под руководством Франсиско-Мигеля Маркеса из Лаборатории ядерной физики CNRS на основе наблюдений за распадом бериллий-14 ядер. Это особенно интересно, потому что современная теория предполагает, что эти кластеры не должны быть стабильными.
В феврале 2016 г. японский физик Сусуму Шимура из Токийский университет и соавторы сообщили, что впервые наблюдали предполагаемые тетранейтроны экспериментально. [76] Физики-ядерщики всего мира говорят, что это открытие, если оно будет подтверждено, станет важной вехой в области ядерной физики и, безусловно, углубит наше понимание ядерных сил. [77] [78]
В динейтрон это еще одна гипотетическая частица. В 2012, Артемис Спироу из Университета штата Мичиган и его коллеги сообщили, что они впервые наблюдали эмиссию динейтрона при распаде 16 Быть. О динейтронном характере свидетельствует малый угол вылета между двумя нейтронами. Авторы измерили энергию разделения двух нейтронов, равную 1,35 (10) МэВ, что хорошо согласуется с расчетами оболочечной модели с использованием стандартных взаимодействий для этой области масс. [79]
Нейтрониевые и нейтронные звезды
Считается, что при чрезвычайно высоких давлениях и температурах нуклоны и электроны коллапсируют в объемную нейтронную материю, называемую нейтроний. Предполагается, что это произойдет в нейтронные звезды.
Чрезвычайное давление внутри нейтронной звезды может деформировать нейтроны до кубической симметрии, позволяя более плотно упаковывать нейтроны. [80]
Обнаружение
Распространенные средства обнаружения заряжен частица ища след ионизации (например, в камера тумана) не работает для нейтронов напрямую. Нейтроны, которые упруго рассеиваются на атомах, могут образовывать ионизационный трек, который можно обнаружить, но эксперименты не так просты; Чаще используются другие средства обнаружения нейтронов, заключающиеся в их взаимодействии с атомными ядрами. Поэтому обычно используемые методы обнаружения нейтронов можно разделить на категории в соответствии с используемыми ядерными процессами, в основном захват нейтронов или же упругое рассеяние. [81]
Обнаружение нейтронов путем захвата нейтронов
Обнаружение нейтронов упругим рассеянием
Детекторы быстрых нейтронов имеют то преимущество, что не требуют замедлителя и, следовательно, способны измерять энергию нейтрона, время прибытия и, в некоторых случаях, направление падения.
Источники и производство
Свободные нейтроны нестабильны, хотя у них самый длительный период полураспада из всех нестабильных субатомных частиц на несколько порядков. Однако их период полураспада составляет всего около 10 минут, поэтому их можно получить только из источников, которые производят их непрерывно.
Естественный нейтронный фон. Небольшой естественный фоновый поток свободных нейтронов существует повсюду на Земле. В атмосфере и в глубине океана «нейтронный фон» обусловлен мюоны произведено космический луч взаимодействие с атмосферой. Эти высокоэнергетические мюоны способны проникать на значительные глубины в воду и почву. Там, при поражении атомных ядер, среди других реакций они вызывают реакции расщепления, в которых нейтрон высвобождается из ядра. В земной коре вторым источником являются нейтроны, образующиеся в основном в результате спонтанного деления урана и тория, присутствующих в минералах земной коры. Нейтронный фон недостаточно силен, чтобы представлять биологическую опасность, но он важен для детекторов частиц с очень высоким разрешением, которые ищут очень редкие события, такие как (предполагаемые) взаимодействия, которые могут быть вызваны частицами темная материя. [10] Недавние исследования показали, что даже грозы могут производить нейтроны с энергией до нескольких десятков МэВ. [84] Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов находится в пределах 10 −9 и 10 −13 за мс и за м 2 в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов, даже при начальной энергии 20 МэВ, уменьшается до диапазона кэВ в течение 1 мс. [85]
Еще более сильное нейтронное фоновое излучение создается на поверхности Марса, где атмосфера достаточно толстая, чтобы генерировать нейтроны в результате образования мюонов космических лучей и расщепления нейтронов, но недостаточно толстая, чтобы обеспечить значительную защиту от образовавшихся нейтронов. Эти нейтроны не только создают опасность нейтронного излучения на поверхности Марса из-за прямого нисходящего нейтронного излучения, но также могут создавать значительную опасность из-за отражения нейтронов от поверхности Марса, что приведет к возникновению отраженного нейтронного излучения, проникающего вверх в марсианский корабль или среду обитания от этаж. [86]
_in_Grenoble%2C_France.jpg/220px-Institut_Laue%E2%80%93Langevin_(ILL)_in_Grenoble%2C_France.jpg)
Экспериментальный ядерные термоядерные реакторы производить свободные нейтроны как отходы. Однако именно эти нейтроны обладают большей частью энергии, и преобразование этой энергии в полезную форму оказалось сложной инженерной задачей. В термоядерных реакторах, генерирующих нейтроны, вероятно, образуются радиоактивные отходы, но отходы состоят из активируемых нейтронами более легких изотопов, которые имеют относительно короткие (50–100 лет) периоды распада по сравнению с типичным периодом полураспада в 10 000 лет. [88] для отходов деления, который является длительным, главным образом, из-за длительного периода полураспада альфа-излучающих трансурановых актинидов. [89]
Нейтронные пучки и модификация пучков после производства
Свободные нейтронные пучки получаются из источники нейтронов к нейтронный транспорт. Чтобы получить доступ к интенсивным источникам нейтронов, исследователи должны обратиться в специализированный нейтронная установка который управляет исследовательский реактор или раскол источник.
Отсутствие у нейтрона полного электрического заряда затрудняет управление им или их ускорение. Заряженные частицы могут ускоряться, замедляться или отклоняться электрический или же магнитные поля. Эти методы мало влияют на нейтроны. Однако некоторые эффекты могут быть достигнуты при использовании неоднородных магнитных полей из-за магнитный момент нейтрона. Нейтронами можно управлять с помощью методов, которые включают: На модерации, отражение, и выбор скорости. Тепловые нейтроны может быть поляризован передачей через магнитный материалы способом, аналогичным Эффект Фарадея за фотоны. Холодные нейтроны с длинами волн 6–7 ангстрем могут быть получены в пучках с высокой степенью поляризации при использовании магнитные зеркала и намагниченные интерференционные фильтры. [90]
Приложения
Холодный, тепловой, и горячей нейтронное излучение обычно используется в рассеяние нейтронов объекты, где излучение используется аналогично Рентгеновские лучи для анализа конденсированное вещество. Нейтроны дополняют последние по атомным контрастам за счет разного рассеяния. поперечные сечения; чувствительность к магнетизму; диапазон энергий для неупругой нейтронной спектроскопии; и глубокое проникновение в материю.
Разработка «нейтронных линз», основанных на полном внутреннем отражении внутри полых стеклянных капиллярных трубок или на отражении от алюминиевых пластин с углублениями, стимулировала продолжающиеся исследования в области нейтронной микроскопии и нейтронной / гамма-томографии. [91] [92] [93]
Лечебные методы лечения
Поскольку нейтронное излучение проникающее и ионизирующее, оно может быть использовано для лечения. Однако нейтронное излучение может иметь нежелательный побочный эффект, поскольку пораженный участок остается радиоактивным. Нейтронная томография поэтому не является жизнеспособным медицинским приложением.
В терапии быстрыми нейтронами для лечения рака используются нейтроны высокой энергии, обычно превышающие 20 МэВ. Радиационная терапия рака основан на биологической реакции клеток на ионизирующее излучение. Если излучение доставляется небольшими сеансами для повреждения раковых участков, нормальные ткани успевают восстановиться, а опухолевые клетки часто не могут. [94] Нейтронное излучение может доставлять энергию в злокачественную область со скоростью, на порядок превышающей гамма-излучение. [95]
Защита
Воздействие свободных нейтронов может быть опасным, поскольку взаимодействие нейтронов с молекулами в организме может нарушить молекулы и атомы, а также может вызывать реакции, вызывающие другие формы радиация (например, протоны). Применяются обычные меры радиационной защиты: избегать облучения, держаться как можно дальше от источника и сводить время воздействия к минимуму. Однако следует подумать о том, как защитить себя от воздействия нейтронов. Для других видов излучения, например, альфа-частицы, бета-частицы, или же гамма излучениематериал с высоким атомным номером и высокой плотностью обеспечивает хорошую защиту; часто, вести используется. Однако этот подход не будет работать с нейтронами, поскольку поглощение нейтронов не увеличивается напрямую с атомным номером, как это происходит с альфа-, бета- и гамма-излучением. Вместо этого нужно посмотреть на конкретные взаимодействия нейтронов с веществом (см. Раздел об обнаружении выше). Например, водород-богатые материалы часто используются для защиты от нейтронов, так как обычный водород и рассеивает, и замедляет нейтроны. Это часто означает, что простые бетонные блоки или даже наполненные парафином пластиковые блоки обеспечивают лучшую защиту от нейтронов, чем гораздо более плотные материалы. После замедления нейтроны могут быть поглощены изотопом, который имеет высокое сродство к медленным нейтронам, не вызывая вторичного захватывающего излучения, такого как литий-6.
Температура нейтронов
Тепловые нейтроны
Холодные нейтроны
Холодные нейтроны тепловые нейтроны, уравновешенные в очень холодном веществе, таком как жидкость дейтерий. Такой холодный источник помещается в замедлитель исследовательского реактора или источника скола. Холодные нейтроны особенно ценны для рассеяние нейтронов эксперименты. [ нужна цитата ]
Ультрахолодные нейтроны
Энергия деления нейтронов
А быстрый нейтрон свободный нейтрон с уровнем кинетической энергии, близким к 1 МэВ ( 1.6 × 10 −13 J ), следовательно, скорость
14 МэВ, средняя энергия 2 МэВ (для 235 Нейтронов деления U), а Режим всего 0,75 МэВ, что означает, что более половины из них не квалифицируются как быстрые (и, таким образом, почти не имеют шансов инициировать деление в плодородные материалы, Такие как 238 U и 232 Th).
Быстрые нейтроны можно превратить в тепловые нейтроны с помощью процесса, называемого замедлением. Это делается с помощью замедлитель нейтронов. В реакторах обычно тяжелая вода, легкая вода, или же графит используются для смягчения нейтронов.
Термоядерные нейтроны
Нейтроны с энергией 14,1 МэВ имеют примерно в 10 раз больше энергии, чем нейтроны деления, и очень эффективны при делении даже не-делящийся тяжелые ядра, и эти деления с высокой энергией производят в среднем больше нейтронов, чем деления нейтронами с меньшей энергией. Это делает D – T термоядерные источники нейтронов, такие как предложенные токамак силовые реакторы, полезные для трансмутация трансурановых отходов. Нейтроны с энергией 14,1 МэВ могут также производить нейтроны за счет выбивая их из ядер.
Другие реакции синтеза производят гораздо менее энергичные нейтроны. D – D синтез производит нейтрон с энергией 2,45 МэВ и гелий-3 в половине случаев и производит тритий и протон, но без нейтрона в остальное время. D– 3 Он синтез не производит нейтронов.
Нейтроны промежуточных энергий
Нейтрон энергии деления, который замедлился, но еще не достиг тепловой энергии, называется эпитепловым нейтроном.
Поперечные сечения для обоих захватывать и деление реакции часто имеют несколько резонанс пики при определенных энергиях в эпитепловом диапазоне энергий. реактор на быстрых нейтронах, где большинство нейтронов поглощается до замедления до этого диапазона, или в хорошомодерируется тепловой реактор, где надтепловые нейтроны взаимодействуют в основном с ядрами замедлителя, а не с ними делящийся или же плодородный актинид Однако в реакторе с частичным замедлителем с большим количеством взаимодействий надтепловых нейтронов с ядрами тяжелых металлов есть больше возможностей для преходящий изменения в реактивность это может затруднить управление реактором.