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 могут проникать в ядро легче, чем положительно заряженные протоны , которые отталкиваются электростатически . [1]
Захват нейтронов играет важную роль в космическом нуклеосинтезе тяжелых элементов. В звездах он может протекать двумя способами: как быстрый процесс ( r-процесс ) или как медленный процесс ( s-процесс ). [1] Ядра с массой более 56 не могут быть образованы экзотермическими термоядерными реакциями (т. е. ядерным синтезом ), но могут быть образованы захватом нейтронов. [1] Захват нейтронов на протонах дает линию при 2,223 МэВ, предсказанную [2] и обычно наблюдаемую [3] в солнечных вспышках .
При малом потоке нейтронов , как в ядерном реакторе , ядро захватывает один нейтрон. Например, когда природное золото ( 197 Au) облучается нейтронами (n), изотоп 198 Au образуется в сильно возбужденном состоянии и быстро распадается до основного состояния 198 Au путем испускания гамма-лучей (𝛾). В этом процессе массовое число увеличивается на единицу. Это записывается в виде формулы в виде 197 Au + n → 198 Au + γ или в краткой форме 197 Au(n,γ) 198 Au . Если используются тепловые нейтроны , процесс называется тепловым захватом.
Изотоп 198 Au является бета-излучателем , 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 через бета-излучение между захватами нейтронов. Массовое число, таким образом, значительно увеличивается, в то время как атомный номер (т. е. элемент) остается прежним. Когда дальнейший захват нейтронов становится невозможным, крайне нестабильные ядра распадаются через множество β − -распадов на бета-стабильные изотопы элементов с более высокими номерами.
Сечение поглощения нейтронов изотопа химического элемента — это эффективная площадь поперечного сечения, которую атом этого изотопа представляет для поглощения, и является мерой вероятности захвата нейтронов. Обычно измеряется в барнах .
Сечение поглощения часто сильно зависит от энергии нейтрона . 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 вопросы изменяют этот общий принцип. Две из наиболее определенных мер — это 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 с исходной высокой энергии.
Тепловая энергия ядра также оказывает влияние; с ростом температуры доплеровское уширение увеличивает вероятность поймать резонансный пик. 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. Энергия захвата нейтронов, таким образом, вмешивается [ необходимо уточнение ] в стандартную энтальпию образования изотопов.
Нейтронный активационный анализ может использоваться для дистанционного определения химического состава материалов. Это связано с тем, что различные элементы испускают различное характеристическое излучение при поглощении нейтронов. Это делает его полезным во многих областях, связанных с разведкой полезных ископаемых и безопасностью.
В машиностроении наиболее важным поглотителем нейтронов является 10B , используемый в качестве карбида бора в стержнях управления ядерного реактора 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 превосходными 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 реактора . Однако он находится в тех же рудах, что и цирконий , который имеет ту же конфигурацию внешней электронной оболочки и, таким образом, имеет схожие химические свойства. Их ядерные свойства кардинально различаются: гафний поглощает нейтроны в 600 раз лучше, чем цирконий. Последний, будучи по существу прозрачным для нейтронов, ценится для внутренних деталей реактора, включая металлическую оболочку топливных стержней . Чтобы использовать эти элементы в их соответствующих приложениях, цирконий необходимо отделить от естественно встречающегося гафния. Это можно сделать экономично с помощью ионообменных смол . [5]