История открытия нейтрона
В 1919 г. Резерфорд осуществил искусственное расщепление
ядер азота альфа-частицами. Потом бомбардировке α-частицами
подверглись другие элементы. Реакция (α,p) наблюдалась почти на
всех элементах. Среди исключений – Be и Li, где протоны не де-
тектировались. В 1930 г. Боте и Беккер обнаружили излучение,
очень слабо поглощаемое свинцом, однако регистрируемое с по-
мощью счетчика Гейгера-Мюллера. Если бы это были гамма-
кванты, то их энергия должна была бы быть слишком большой (ес-
ли использовать закон сохранения энергии). Чедвик предположил,
что излучение состоит из частиц с отличной от нуля массой покоя
и с зарядом либо очень маленьким, либо нулевым. Поэтому части-
цу эту назвали нейтроном.
Чедвик поставил опыты по измерению массы нейтрона:
mn = 1,0067 а.е.м. = 939,55 МэВ.
Вскоре после открытия нейтрона советский физик Иваненко
Д.Д. и немецкий физик Гейзенберг высказали гипотезу о протон-
нейтронном строении ядра, которая решила трудности электронно-
протонной модели.
Основные характеристики нейтрона
Время жизни. Избыток массы у нейтрона по сравнению с прото-
ном настолько велик, что энергетически вполне возможно превра-
щение свободного нейтрона в протон путем β-распада:
n → p + e- + ν~e .
В этом распаде наряду с заряженными частицами образуется
легкая нейтральная частица – антинейтрино массой mν~ ≤ 18 эВ. e
Время жизни нейтрона составляет приблизительно 885,7 с.
Спин нейтрона. Sn = ½ в единицах постоянной Планка = и ней-
троны подчиняются статистике Ферми-Дирака.
Магнитный момент. Нейтроны подчиняются статистике Ферми-
Дирака, поэтому не должны иметь магнитного момента по теории
Дирака, как нейтральная частица.
Но это не так:
μн = -(1,91304275 ± 0,00000045)μБ.
Полагают, что наличие магнитного момента у нейтрона связано
с его внутренней структурой и движением составляющих элемен-
тов. Возможно, что это связано так же с представлением о движе-
нии π-мезонов вокруг нейтрона.
Нейтроны в природе
Источники нейтронов в природе можно подразделить на антро-
погенные (те, что появились в результате деятельности человека) и
естественные.
1.1. Антропогенные источники
Перечислим антропогенные источники нейтронного излучения:
ядерные реакторы – промышленные и исследовательские; источни-
ки нейтронов, применяемые в промышленных ядерных технологи-
ях (например, для контроля промышленных изделий, для каротажа
скважин в геологии и т.д.); источники нейтронов из установок,
применяемых для медицинской диагностики и терапии; используе-
мые и законсервированные объекты по добыче руды (в т.ч. урано-
вые рудники); хранилища и заводы по переработке топлива АЭС;
хранилища оружия с ядерными боеголовками; ядерные взрывы.
Величина потоков нейтронов от антропогенных источников за-
висит, прежде всего, от расстояния до такого источника и его мощ-
ности. В целом принято оценивать радиационное воздействие по
дозам от радиационного излучения. При этом самый большой
вклад в дозу будут иметь естественные источники излучений.
Ядерные испытания (для большинства населения Земли) будут
иметь вклад не более 2,6 % от общей дозы, атомная энергетика – не
более 0,05 %. Поэтому не стоит останавливаться подробно на кон-
кретных значениях потоков от антропогенных источников нейтро-
нов, а следует перейти непосредственно к источникам с большим
вкладом в дозу – естественным источникам нейтронов.
Естественные источники
1) Солнечные нейтроны, т.е. нейтроны, которые непосред-
ственно рождаются на Солнце и могут в составе солнечных кос-
мических лучей достигнуть поверхности Земли. Но пролететь рас-
стояние от Солнца до Земли могут не все нейтроны, а только те,
что не распадутся по пути. Можно легко подсчитать, с какой энер-
гией нейтроны могут долететь до Земли.
Время, затрачиваемое на путь от Солнца до Земли:
t = 1,5*1013(см)/v = 1,1*107/E1/2 (с),
где Е – кинетическая энергия нейтрона в электорнвольтах.
Время в полете равно среднему времени жизни нейтронов (τ ≈
≈103 с) при энергии En = 100 МэВ. Это означает, что нейтроны с
меньшей энергией распадутся по дороге с вероятностью больше
чем 0,63.
2) Галактическое космическое излучение (ГКИ), состоящее
в основном из высокоэнергетических протонов, достигая земной
атмосферы, порождает по реакциям (p,n) вторичные нейтроны.
Такие нейтроны называются нейтронами альбедо, так как они на-
блюдались из околоземного пространства и геометрически кажет-
ся, что Земля «отражает» нейтроны. Нейтроны, появившиеся как
результат воздействия ГКИ, являются основной компонентой
нейтронного излучения в природе на Земле. Спектр таких нейтро-
нов в околоземном пространстве представлен на рис. 1.1. Проходя
через атмосферу Земли и доходя до уровня поверхности моря,
нейтроны замедляются, вблизи земной коры поток нейтронов
имеет энергию порядка тепловой.
3) Солнечное космическое излучение (СКИ) также может
взаимодействовать с атмосферой Земли и порождать нейтроны
альбедо СКИ. Спектры нейтронов альбедо СКИ похожи на спек-
тры нейтронов альбедо ГКИ. Но надо иметь в виду, что энергии
солнечных протонов относительно невелики, потоки таких прото-
нов рождаются во время солнечных вспышек и поток нейтронов
СКИ незначителен при усреднении по времени.
4) Источником нейтронов может быть и земная кора. Зем-
ная кора является пассивным источником нейтронов как мишень,
генерирующая нейтроны при бомбардировке ее энергичными час-
тицами космических лучей. Земная кора является также и актив-
ным источником нейтронов. В земной коре есть альфа-активные
элементы, входящие в радиоактивные семейства элементов, родо-
начальниками которых являются уран и торий. Среди них в част-
ности присутствует радон – радиоактивный газ, который испуска-
ет альфа-частицы с энергией 5–9 МэВ, что при взаимодействии
этих частиц с ядрами элементов атмосферы и земной коры вполне
достаточно для генерации нейтронов со средними энергиями,
примерно равными 1 МэВ. Распространяясь в атмосфере Земли,
нейтроны такой первоначальной энергии теряют ее при столкно-
вениях и достигают тепловых энергий. Изменение потока призем-
ных тепловых нейтронов будет зависеть от концентрации радио-
активных элементов в том или ином районе и условий выхода на
поверхность Земли.
Экспериментальные
данные,
полученные
НИИЯФ МГУ в Москве, на Воробьевых горах, в здании физиче-
ского факультета Московского Университета на высоте порядка
20 м, показывают, что потоки нейтронов имеют значения до ве-
личины 2*10-3 см-2с-1. Вблизи земной коры более 70 % нейтронов
имеют энергию не более 0,45 эВ.
Знание о значении числа нейтронов в атмосфере Земли являет-
ся основанием для известного метода датировки исторических со-
бытий и исторических образцов, получившего название «радиоуг-
леродный анализ». Для его успешной реализации необходимо,
чтобы количество нейтронов в атмосфере было постоянным.
Принцип анализа состоит в следующем. Имеющиеся в атмосфе-
14
ре нейтроны захватываются ядрами азота
N и вызывают образо-
вание 14С по реакции 14N(n,p)14C. Вероятность захвата нейтронов
другими ядрами атмосферы мала. Углерод 14C образует углекислый
газ с кислородом атмосферы и в этом виде размешивается по всей
атмосфере. Из атмосферы 14CO2 поглощается растениями и водо-
рослями, поэтому изотопный состав углерода в растениях такой же,
как и в атмосфере. Если растение погребено в толще земной коры,
то обмен углеродом с атмосферой прекращается и содержание 14C
убывает с периодом полураспада 5570 лет. Это и есть основа ра-
диоуглеродного метода определения возраста.
Классификация нейтронов по энергиям
Характер взаимодействия нейтронов с веществом определяется
их энергией, поэтому удобно ввести классификацию нейтронов
различных энергетических групп. Хотя строгой общепринятой
классификации нейтронов по спектральным группам нет, но суще-
ствуют вполне установившиеся названия отдельных групп, выде-
ляемых из общего класса нейтронов (табл. 1.1).
Достарыңызбен бөлісу: |