Neutronová fyzika je obor fyziky elementárních částic , který se zabývá studiem neutronů , jejich vlastnostmi a strukturou ( životnost , magnetický moment atd.), výrobními metodami a také možnostmi jejich využití pro aplikované a výzkumné účely.
Nedostatek elektrického náboje neutronu vede k tomu, že většinou interagují přímo s atomovými jádry , což buď způsobuje jaderné reakce, nebo je rozptýleno jádry. Charakteristika a intenzita interakce neutron-jádro ( průřezy neutronů ) v podstatě závisí na energii neutronu. Neutronová fyzika používá hlavně neutrony s energiemi od 10 7 do 10 −7 eV (de Broglieho vlnové délky od 10 −12 do 10 −5 cm). Podle tohoto rozsahu energií a vlnových délek jsou objekty o velikosti 10–12 cm a charakteristickými excitačními energiemi 106–107 eV ( atomového jádra) až po objekty o rozměrech 10–4 cm viditelné v optickém mikroskopu ( např. makromolekuly biopolymerů) jsou studovány .
Neutronové záření je podmíněně rozděleno do energetických rozsahů, které se liší ve způsobech získávání a detekce neutronů, jakož i ve směrech jejich použití:
Neutrony | Energie E , eV | Rychlost v , cm/s | St vlnová délka λ, cm | Průměrná teplota Τ cf , K |
---|---|---|---|---|
Rychle | > 105 | > 1,4⋅10 9 | < 10 −12 | 10 10 |
Pomalý | ||||
středně pokročilí | 104-103 _ _ _ | 1,4⋅10 8 | 3⋅10 −11 | 10 8 |
rezonanční | 0,5-10 4 | 1,4⋅10 7 | 3⋅10 −10 | 10 6 |
Tepelný | 0,5−5⋅10−3 _ | 2⋅10 5 | 2⋅10−8 _ | 300 |
Studený | 5⋅10 −3 −10 −7 | 4.4⋅10 4 | 9⋅10−8 _ | deset |
Ultrachladný | 10 -7 | 4,4⋅10 2 | 9⋅10−6 _ | 10 −3 |
Neutrony s kinetickou energií E > 100 keV se nazývají rychlé. Jsou schopny zažít nepružný rozptyl na jádrech a vyvolat endotermické jaderné reakce , jako jsou ( n , α ), ( n , 2n ), ( n , pn ). Průřezy těchto reakcí poměrně plynule závisejí na E (nad jejich charakteristickým energetickým prahem) a jejich studium umožňuje studovat mechanismus distribuce excitační energie mezi nukleony , které tvoří jádro.
Neutrony s energiemi E < 100 keV se často nazývají pomalé neutrony, ty se zase dělí na rezonanční a intermediární. Pomalé neutrony se většinou elasticky rozptylují na jádrech nebo způsobují exotermické jaderné reakce, zejména radiační záchyt ( n , γ), reakce jako ( n , p), (n, α) a jaderné štěpení . Reakce 3 He( n , p ) 3 H; 10 B(n, α) 7 Li se používají k detekci neutronů; druhý z nich je také na ochranu před neutronovým zářením.
Název "rezonanční neutrony" je dán přítomností rezonančních maxim (neutronových rezonancí) v energetické závislosti efektivního průřezu σ( E ) interakce neutronů s hmotou. Výzkumy s rezonančními neutrony umožňují studovat excitační spektrum jader. V energetické oblasti středních neutronů je rezonanční struktura průřezových neutronů vyhlazena v důsledku překrývání sousedních rezonancí. Průřez jakékoli jaderné reakce způsobené dostatečně pomalými neutrony je nepřímo úměrný jejich rychlosti. Tento vztah se nazývá "zákon 1/ v ". Odchylka od tohoto zákona je pozorována, když se E stane srovnatelným s energií první rezonanční hladiny.
Prakticky ve všech studiích neutronové fyziky se používají svazky monoenergetických neutronů se stupněm monochromatizace ~10 −2 . Intenzivní svazky rychlých neutronů vznikají na urychlovačích nabitých částic při jaderných reakcích ( p , n ) a ( d , pn ). Neutronová energie E se mění s tím, jak se mění energie primárních nabitých částic dopadajících na cíl.
Pomalé neutrony lze také získat na všech typech urychlovačů, včetně elektronových urychlovačů v důsledku reakcí (γ, n), kdy jsou cíle na těžkých prvcích ozařovány γ-kvanty elektronového brzdného záření. Výsledné rychlé neutrony lze zpomalit. Obvykle se k tomu používají látky obsahující vodík (voda, parafín a další), ve kterých neutrony ztrácejí energii, rozptylují se na jádrech vodíku. Po zpomalení však neutrony nejsou monoenergetické.
K získání monoenergetických neutronů se používá metoda doby letu , která vyžaduje pulzní zdroje neutronů. V každém okamžiku t po neutronovém pulzu dorazí neutrony k detektoru ve vzdálenosti L od zdroje s energií určenou vztahem
kde energie je v elektronvoltech , vzdálenost je v metrech a čas je v mikrosekundách.
Výkonné zdroje tepelných neutronů - jaderné reaktory vytvářejí uvnitř moderátorů tepelné neutronové toky až 10 15 neutronů / (cm 2 s). Monoenergetické tepelné neutrony jsou produkovány na monokrystalech. K získání studených neutronů se používají moderátory chlazené na teplotu kapalného dusíku a dokonce i kapalného vodíku (20 K). Ultrachladné neutrony jsou extrahovány z moderátoru ostře zakřivenými vakuovými neutronovými průvodci .
Energie tepelných neutronů je srovnatelná s energií tepelných vibrací atomů v pevné látce a λ n je srovnatelná s meziatomovou vzdáleností. Když tepelné neutrony procházejí hmotou, mohou výrazně měnit svou energii, získávat ji nebo ji předávat tepelným vibracím atomů nebo molekul. Velikost takových změn může být použita k získání fononového spektra látky. Když jsou tepelné neutrony rozptýleny jednotlivými krystaly, dochází k difrakci neutronů.
Studené neutrony se používají ke studiu pomalých difúzních pohybů atomů a molekul v různých prostředích, stejně jako ke studiu makromolekul proteinů, polymerů, mikrodefektů a mikronehomogenit v roztocích a slitinách.
Ultrachladné neutrony se zcela odrážejí od většiny materiálů v důsledku jakéhosi „odpuzování“ jejich látkou. Tento jev je podobný totálnímu vnitřnímu odrazu světla na rozhraní dvou prostředí a lze jej popsat pomyslným indexem lomu pro neutronové záření o vlnové délce λ n > 500 Å. Díky tomu mohou být ultrachladné neutrony akumulovány a skladovány po dlouhou dobu (stovky sekund) v uzavřených nádobách.
Přítomnost magnetického dipólového momentu v neutronech způsobuje magnetický rozptyl neutronu atomárními elektrony, což umožňuje studovat strukturu a dynamiku magnetických materiálů.
Předmětem studia neutronové fyziky jsou i vlastnosti samotného neutronu jako elementární částice. Velký význam pro fyziku slabé interakce má přesné měření doby života neutronu [1] . Mnoho rozšíření Standardního modelu předpovídá, že neutron má nenulový elektrický dipólový moment , stejně jako existenci neutron-antineutronových oscilací .
Výsledky neutronově-fyzikálního výzkumu mají zvláštní praktický význam v souvislosti s problematikou získávání jaderné energie, neboť neutrony hrají hlavní roli v procesu jaderného štěpení a termojaderné fúze.
Úseky jaderné fyziky | |
---|---|