Эмиссия нейтронов — это режим радиоактивного распада , при котором один или несколько нейтронов выбрасываются из ядра . Это происходит в наиболее нейтронно-богатых/протонно-дефицитных нуклидах , а также в возбужденных состояниях других нуклидов, например, при испускании фотонейтронов и испускании бета-замедленных нейтронов. Поскольку в этом процессе теряется только нейтрон, число протонов остается неизменным, и атом становится не атомом другого элемента, а другим изотопом того же элемента.
Нейтроны также образуются при спонтанном и вынужденном делении некоторых тяжелых нуклидов.
Вследствие принципа Паули ядра с избытком протонов или нейтронов имеют более высокую среднюю энергию на нуклон. Ядра с достаточным избытком нейтронов обладают большей энергией, чем комбинация свободного нейтрона и ядра с одним нейтроном меньше, и поэтому могут распадаться путем испускания нейтронов. Ядра, которые могут распадаться в результате этого процесса, описываются как лежащие за пределами линии капель нейтронов .
Двумя примерами изотопов, испускающих нейтроны, являются бериллий-13 (распадающийся до бериллия-12 со средней продолжительностью жизни2,7 × 10-21 с ) и гелий-5 ( гелий -4 ,7 × 10 −22 с ). [1]
В таблицах режимов ядерного распада нейтронное излучение обычно обозначается аббревиатурой n .
Некоторые изотопы, богатые нейтронами, распадаются с испусканием двух или более нейтронов. Например, водород-5 и гелий-10 распадаются с испусканием двух нейтронов, водород-6 с испусканием 3 или 4 нейтронов, а водород-7 с испусканием 4 нейтронов.
Некоторые нуклиды можно заставить выбросить нейтрон с помощью гамма-излучения . Одним из таких нуклидов является 9 Be ; его фотораспад имеет важное значение для ядерной астрофизики, поскольку он связан с обилием бериллия и последствиями нестабильности 8 Be . Это также делает этот изотоп полезным в качестве источника нейтронов в ядерных реакторах. [2] Другой нуклид, 181 Ta , также известен как легко способный к фотораспаду; этот процесс, как полагают, ответственен за создание 180m Ta , единственного первичного ядерного изомера и самого редкого первичного нуклида . [3]
Эмиссия нейтронов обычно происходит из ядер, находящихся в возбужденном состоянии, таких как возбужденный 17 O*, образующийся в результате бета-распада 17 N. Сам процесс эмиссии нейтронов контролируется ядерными силами и поэтому является чрезвычайно быстрым, иногда его называют «почти мгновенно». Этот процесс позволяет нестабильным атомам стать более стабильными. Выброс нейтрона может быть продуктом движения многих нуклонов, но в конечном итоге он опосредован отталкивающим действием ядерной силы, существующей на чрезвычайно малых расстояниях между нуклонами.
Большая часть эмиссии нейтронов за пределами производства мгновенных нейтронов, связанного с делением (индуцированным или спонтанным), происходит из-за нейтронно-тяжелых изотопов, образующихся в виде продуктов деления . Эти нейтроны иногда испускаются с задержкой, поэтому их называют запаздывающими нейтронами , но фактическая задержка в их производстве представляет собой задержку в ожидании бета-распада продуктов деления с образованием ядерных предшественников в возбужденном состоянии, которые немедленно подвергаются мгновенному испусканию нейтронов. Таким образом, задержка эмиссии нейтронов связана не с процессом производства нейтронов, а скорее с их бета-распадом-предшественником, который контролируется слабым взаимодействием и, следовательно, требует гораздо большего времени. Период полураспада бета-распада предшественников радиоизотопов-эмиттеров запаздывающих нейтронов обычно составляет от долей секунды до десятков секунд.
Тем не менее, запаздывающие нейтроны, испускаемые продуктами деления , богатыми нейтронами , помогают контролировать ядерные реакторы , заставляя изменение реактивности гораздо медленнее, чем если бы оно контролировалось только быстрыми нейтронами. Около 0,65% нейтронов высвобождаются в цепной ядерной реакции замедленным образом за счет механизма эмиссии нейтронов, и именно эта доля нейтронов позволяет управлять ядерным реактором в масштабах времени человеческой реакции, не переходя к быстрое критическое состояние и неконтролируемый расплав.
Синонимом такого излучения нейтронов является производство « мгновенных нейтронов », тот тип, который, как известно, происходит одновременно с индуцированным ядерным делением . Вынужденное деление происходит только тогда, когда ядро бомбардируется нейтронами, гамма-лучами или другими носителями энергии. Многие тяжелые изотопы, особенно калифорний-252 , также испускают быстрые нейтроны среди продуктов аналогичного процесса спонтанного радиоактивного распада — спонтанного деления .
Спонтанное деление происходит, когда ядро распадается на два (иногда три ) меньших ядра и обычно на один или несколько нейтронов.