Ядерное сечение

Концепция в физике элементарных частиц

Ядерное сечение ядра используется для описания вероятности того, что произойдет ядерная реакция. ^{[1] [2]} Понятие ядерного сечения может быть количественно определено физически в терминах «характерной площади», где большая площадь означает большую вероятность взаимодействия. Стандартной единицей измерения ядерного сечения (обозначаемой как σ ) является барн , который равен10 ⁻²⁸  м ² ,10 ⁻²⁴  см ² или100 фм ^2. Поперечные сечения могут быть измерены для всех возможных процессов взаимодействия вместе, в этом случае они называются полными поперечными сечениями, или для конкретных процессов, различая упругое рассеяние и неупругое рассеяние ; из последних, среди нейтронных сечений, поперечные сечения поглощения представляют особый интерес.

В ядерной физике принято считать падающие частицы точечными частицами , имеющими пренебрежимо малый диаметр. Поперечные сечения можно вычислить для любого ядерного процесса, такого как захват-рассеяние, производство нейтронов или ядерный синтез . Во многих случаях число частиц, испускаемых или рассеиваемых в ядерных процессах, не измеряется напрямую; просто измеряется ослабление, производимое в параллельном пучке падающих частиц за счет интерпозиции известной толщины определенного материала. Поперечное сечение, полученное таким образом, называется полным поперечным сечением и обычно обозначается как σ или σ _T .

Типичные ядерные радиусы имеют порядок 10 ⁻¹⁵ м. Предполагая сферическую форму, мы поэтому ожидаем, что поперечные сечения ядерных реакций будут порядка ⁠ ⁠ ${\displaystyle \pi r^{2}}$ или10−28 ^{м 2} (т.е. 1 барн). Наблюдаемые сечения сильно различаются: например, медленные нейтроны , поглощаемые реакцией (n, ), показывают сечение, значительно превышающее 1000 барн в некоторых случаях (бор-10, кадмий-113 и  ксенон -135 ), в то время как сечение для трансмутаций путем поглощения гамма-лучей находится в районе 0,001 барн. ${\displaystyle \gamma }$

Микроскопическое и макроскопическое поперечное сечение

Ядерные поперечные сечения используются для определения скорости ядерной реакции и регулируются уравнением скорости реакции для определенного набора частиц (обычно рассматриваемого как мысленный эксперимент «пучок и мишень», где одна частица или ядро ​​является «мишенью», которая обычно находится в состоянии покоя, а другая рассматривается как «пучок», представляющий собой снаряд с заданной энергией).

Для взаимодействия частиц, падающих на тонкий лист материала (в идеале состоящий из одного изотопа ), уравнение скорости ядерной реакции записывается как:

${\displaystyle r_{x}=\Phi \ \sigma _{x}\ \rho _{A}=\Phi \Sigma _{x}}$

где:

• ${\displaystyle r_{x}}$ : количество реакций типа x, единицы: [1/время⋅объем]
• ${\displaystyle \Phi }$ : поток пучка, единицы: [1/площадь⋅время]
• ${\displaystyle \sigma _{x}}$ : микроскопическое поперечное сечение реакции , единицы: [площадь] (обычно барны или см2 ⁾ . ${\displaystyle x}$
• ${\displaystyle \rho _{A}}$ : плотность атомов в мишени в единицах [1/объем]
• ${\displaystyle \Sigma _{x}\equiv \sigma _{x}\ \rho _{A}}$: макроскопическое поперечное сечение [1/длина]

Типы часто встречающихся реакций: s : рассеяние, : радиационный захват, a : поглощение (радиационный захват относится к этому типу), f : деление, соответствующие обозначения для сечений: , , , и т. д. Особым случаем является полное сечение , которое дает вероятность того, что нейтрон подвергнется какой-либо реакции ( ). ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \sigma _{s}}$ ${\displaystyle \sigma _{\gamma }}$ ${\displaystyle \sigma _{a}}$ ${\displaystyle \sigma _{t}}$ ${\displaystyle \sigma _{t}=\sigma _{s}+\sigma _{\gamma }+\sigma _{f}+\ldots }$

Формально, уравнение выше определяет макроскопическое сечение (для реакции x) как константу пропорциональности между потоком частиц, падающим на (тонкий) кусок материала, и числом реакций, которые происходят (на единицу объема) в этом материале. Различие между макроскопическим и микроскопическим сечением заключается в том, что первое является свойством определенного куска материала (с его плотностью), тогда как последнее является внутренним свойством типа ядер.

Смотрите также

• Сечение нейтрона
• Сечение рассеяния

Ссылки

1. Younes, Walid; Loveland, Walter (2021). Введение в ядерное деление . Springer. С. 10, 25–26, 56–58. ISBN 9783030845940.
2. Родс, Ричард (1986). Создание атомной бомбы . Нью-Йорк: Simon & Schuster Paperbacks. С. 333–334, 282–287. ISBN 9781451677614.

• Анализ ядерного реактора Джеймса Дж. Дудерштадта и Луиса Дж. Гамильтона — опубликовано John Wiley & Sons, Inc.
• Перкинс, Дональд Х. (1999). Введение в физику высоких энергий . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0.
• Мубаракманд, Самар ; Масуд Ахмад ; М. Анвар; М. С. Чаудхри (1977). «Измерения поперечного сечения с помощью нейтронного генератора». Ядро . 42 (1–2). Нилор, Исламабад: PINSTECH: 115–185.