Захват нейтрона — это ядерная реакция , в которой атомное ядро и один или несколько нейтронов сталкиваются и сливаются, образуя более тяжелое ядро. [1] Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они легче проникают в ядро, чем положительно заряженные протоны , которые отталкиваются электростатически . [1]
Захват нейтронов играет значительную роль в космическом нуклеосинтезе тяжелых элементов. У звезд он может протекать двумя путями: как быстрый процесс ( г-процесс ) или как медленный процесс ( s-процесс ). [1] Ядра с массой более 56 не могут образовываться в результате термоядерных реакций (т. е. путем ядерного синтеза ), но могут образовываться путем захвата нейтронов. [1] Захват нейтронов на протонах дает линию с энергией 2,223 МэВ, предсказанную [2] и обычно наблюдаемую [3] во время солнечных вспышек .
При малом потоке нейтронов , как в ядерном реакторе , ядром захватывается одиночный нейтрон. Например, при облучении природного золота ( 197 Au) нейтронами (n) изотоп 198 Au образуется в высоковозбужденном состоянии и быстро распадается до основного состояния 198 Au за счет испускания гамма-лучей (𝛾). При этом массовое число увеличивается на единицу. Это записывается формулой в виде 197 Au + n → 198 Au + γ или в краткой форме 197 Au(n,γ) 198 Au . Если используются тепловые нейтроны , этот процесс называется тепловым захватом.
Изотоп 198 Au представляет собой бета-излучатель , который распадается на изотоп ртути 198 Hg. В этом процессе атомный номер увеличивается на единицу.
R -процесс происходит внутри звезд, если плотность потока нейтронов настолько высока, что атомное ядро не успевает распасться за счет бета-излучения между захватами нейтронов. Таким образом, массовое число увеличивается на большую величину, в то время как атомный номер (т. е. элемента) остается прежним. Когда дальнейший захват нейтронов больше невозможен, крайне нестабильные ядра распадаются посредством множества β - распадов на бета-стабильные изотопы элементов с более высокими номерами.
Сечение нейтронов поглощения изотопа химического элемента представляет собой эффективную площадь поперечного сечения, которую атом этого изотопа представляет для поглощения, и является мерой вероятности захвата нейтрона. Обычно его измеряют в амбарах .
Сечение поглощения часто сильно зависит от энергии нейтронов . В общем, вероятность поглощения пропорциональна времени, в течение которого нейтрон находится вблизи ядра. Время, проведенное вблизи ядра, обратно пропорционально относительной скорости между нейтроном и ядром. Другие, более конкретные проблемы изменяют этот общий принцип. Двумя наиболее конкретными показателями являются сечение поглощения тепловых нейтронов и резонансный интеграл, который учитывает вклад пиков поглощения при определенных энергиях нейтронов, характерных для конкретного нуклида , обычно выше теплового диапазона, но встречающихся, когда замедление нейтронов замедляет нейтрон. от исходной высокой энергии.
Тепловая энергия ядра также имеет влияние; по мере повышения температуры доплеровское уширение увеличивает вероятность обнаружения резонансного пика. В частности, увеличение способности урана-238 поглощать нейтроны при более высоких температурах (и делать это без деления) является механизмом отрицательной обратной связи , который помогает держать ядерные реакторы под контролем.
Захват нейтронов участвует в образовании изотопов химических элементов. Таким образом, энергия захвата нейтронов влияет [ необходимы разъяснения ] на стандартную энтальпию образования изотопов.
Нейтронно-активационный анализ можно использовать для дистанционного определения химического состава материалов. Это связано с тем, что разные элементы испускают различное характерное излучение при поглощении нейтронов. Это делает его полезным во многих областях, связанных с разведкой полезных ископаемых и безопасностью.
В технике наиболее важным поглотителем нейтронов является 10 B , используемый в качестве карбида бора в стержнях управления ядерными реакторами или в качестве борной кислоты в качестве добавки к охлаждающей воде в реакторах с водой под давлением . Другими поглотителями нейтронов, используемыми в ядерных реакторах, являются ксенон , кадмий , гафний , гадолиний , кобальт , самарий , титан , диспрозий , эрбий , европий , молибден и иттербий . [4] Все они встречаются в природе в виде смесей различных изотопов, некоторые из которых являются отличными поглотителями нейтронов. Они могут встречаться в таких соединениях, как борид молибдена, диборид гафния , диборид титана , титанат диспрозия и титанат гадолиния.
Гафний жадно поглощает нейтроны и может использоваться в стержнях управления реакторами . Однако он встречается в тех же рудах, что и цирконий , который имеет ту же конфигурацию внешней электронной оболочки и, следовательно, имеет схожие химические свойства. Их ядерные свойства совершенно различны: гафний поглощает нейтроны в 600 раз лучше, чем цирконий. Последний, будучи по существу прозрачным для нейтронов, ценится для внутренних частей реактора, включая металлическую оболочку топливных стержней . Чтобы использовать эти элементы в соответствующих целях, цирконий необходимо отделить от встречающегося в природе гафния. Этого можно экономично достичь с помощью ионообменных смол . [5]