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

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-