Нейтронная спектроскопия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Нейтронная спектроскопия - совокупность исследований энергетич. зависимости разл. процессов взаимодействия нейтронов с атомными ядрами и свойств образовавшихся возбуждённых состояний ядер. Специфич. особенность взаимодействия нейтронов с яд-рамп связана с отсутствием заряда. Отсюда протекание реакции при низких энергиях нейтронов

< 1 МэВ.

Упругое рассеяние нейтронов (n, n') происходит на всех ядрах и при любых энергиях с заметной вероятностью. При

ниже энергии первого возбуждённого уровня ядра-мишени возможны также неупругие экзо-термич. ядерные реакции: радиац. захват нейтрона (n, g), реакции с вылетом протонов (n, р) и я-частиц (n, a), деление ядер (n, f).

Характерная особенность зависимости сечения ядерных реакций от энергии нейтрона s(

) - наличие ре-зонансов (рис. 1). Каждому резонансу соответствует образование определённого состояния составного ядра (компаунд-ядра) с массовым числом А + 1(A - массовое число ядра-мишени) и энергией возбуждения, равной

A/(A + 1), где

- энергия связи нейтрона в ядре,

- кинетич. энергия нейтрона в максимуме резонанса.

Рис. 2. Схемы экспериментов для измерения нейтронных сечений: a - полного, б - парциальных

Сечение образования составного ядра s_с в области резонанса описывается Брей-та - Вигнера формулой:

Здесь 2p

= l = 2,86

10^-11

- длина волны де Бройля нейтрона (в м), g -статистич.фактор, зависящий от спинов исходного и составного ядер, Г - полная ширина резонанса, связанная со временем жизни т образовавшегося возбуждённого состояния ядра соотношением Г =

/т (для большинства ядер т ~ ~ 10^-14 - 10^-18 с). Вероятность распада составного ядра по тому или иному каналу i определяется парциальными ширинами - нейтронной шириной Г_n в случае вылета нейтрона (упругое рассеяние), радиационной G_g (вылет g-квантов), делительной Г_f и т. д. Полная ширина равна сумме парциальных ширин для данного резонанса:

Эксперим. исследование зависимостей s_t(

) и s_i(

) позволяет определить характеристики состояний, образующихся при захвате нейтрона: энергию, полную и парциальные ширины, спин I, чётность p (I^p).

Нейтронный спектрометр. Для измерений энергетич. зависимостей сечений применяют нейтронные спектрометры, гл. обр. спектрометры по времени пролёта (рис. 2). Импульсный источник нейтронов И генерирует нейтроны со сплошным энергетич. спектром в виде короткой вспышки длительностью Dt. При измерении полного сечения s_t детектор нейтронов Д регистрирует нейтроны при положении мишени M в пучке и вне пучка (К - коллиматоры, рис. 2, а). Временной анализатор BA фиксирует интервал времени t между вспышкой источника и моментом регистрации нейтрона в детекторе. Энергия нейтрона (в эВ) связана с временем пролёта t (в икс) соотношением

= (72,3 L)²/t², где L - расстояние между источником нейтронов и детектором (в м). Энергетич. разрешение спектрометра:

u - скорость нейтронов. T. н. фактор качества, определяемый как Q/(Dt)², где Q - интегральный выход нейтронов из источника, характеризует поток нейтронов на детекторе при заданном энергетическом разрешении.

Нейтронными источниками обычно служат электронные или протонные ускорители с длительностью вспышки Dt ~ 10^-9 - 10^-6 с и Q ~ 10¹⁴-10¹⁶ нейтрон^.с^-1. Большим выходом нейтронов при более длинной вспышке обладают импульсные реакторы, применяемые также в качестве бустеров - размножителей нейтронов от импульсных ускорителей.

Полное сечение s_t взаимодействия нейтрона с ядром определяется соотношением:

где N - показания (счет) детектора с мишенью в пучке, N₀ - вне пучка, п - толщина мишени (число ядер на 1 см²). Для измерения парциальных сечений s_i детектор Д_i, чувствительный только к продуктам i-распада составного ядра, располагается вне пучка нейтронов рядом с мишенью (рис. 2, б). Скорость счёта детектора Д_i:

Здесь П - поток нейтронов в заданном интервале энергии, падающий на всю площадь мишени, h_i - эффективность регистрации детектором продуктов реакции.

При изучении реакций с вылетом заряж. частиц (протонов, a-частиц, осколков деления) используют иони-зац. детекторы (ионизац. камеры, пропорциональные счётчики и т. д.) с помещёнными внутри них мишенями, расположенные непосредственно в пучке нейтронов. Это возможно благодаря низкой чувствительности таких детекторов к нейтронам и g-лучам (см. Нейтронные детекторы).

Статистические свойства резонансов. Вероятность образования составного ядра зависит от орбитального момента l налетающего нейтрона. Нейтронная ширина для разных l:

где R

1,3 A^1/3Фм. При низких энергиях нейтронов (

1 кэВ) наблюдаются в основном т. н. s-резонансы (l = 0), значительно слабее р-резонансы (l = 1); с более высокими l резонансы не проявляются. С увеличением

роль нейтронов с большими l в образовании составных ядер возрастает. При анализе нейтронных ширин обычно исключают энергетич. зависимость (*) и оперируют с приведёнными нейтронными ширинами Г^l_n для

= 1 эВ.

Для данного ядра Г^l_n существенно меняются от резонанса к резонансу. Эксперим. данные о флук-туациях s-резонансов подтверждают высказанные С. E. Портером (С. E. Porter) и P. Г. Томасом (R. G. Thomas) аргументы в пользу гауссовского распределения амплитуд приведённых ширин (Г⁰_n)^1/2 при нулевом ср. значении. Отсюда следует т. н. c²-распределение с одной степенью свободы (v = 1) для Г⁰_п (распределение Портера - Томаса):

Аналогичными статистич. свойствами обладают и др. ширины (др. каналы распада). Распределение Портера-Томаса справедливо для ширин, характеризующих вероятности g-переходов с резонансных состояний, имеющих одинаковые спины и чётность, на один и тот же уровень. Полная радиац. ширина практически не меняется от резонанса к резонансу для тяжёлых ядер, т. к. является суммой большого числа независимо флуктуирующих величин. Для Г_g справедливо c² -распределение с числом степеней свободы v

50. Для Г_f и Г_a характерны v

2-4.

Энергетич. интервалы D между соседними резонанса-ми с одинаковыми I и p распределены широко:

где у = D/<D>, причём ср. значение <D> уменьшается с ростом А от 10⁴ эВ для А

30 до 1 эВ для А

240. Для соседних ядер-мишеней <D> систематически больше для чётных А по сравнению с нечётными из-за меньшей энергии возбуждения ядра. Для магических ядер <D> существенно возрастает.

Силовая функция. Cp. значения <Г⁰_n> и <D> коррелируют между собой: если каждая из них может отличаться для соседних ядер в десятки раз, то отношение S₀ = <Г⁰_n> /<D> наз. нейтронной силовой функцией, изменяется с А слабо и плавно. Силовая функция S₀ имеет максимумы в областях А

50 и

150 (S₀

4^.10^-4) и минимум при А

100 (S₀

3^.10^-5).

Для l = 1 силовая функция S₁ имеет близкие значения и максимумы при А

100 и

240. На зависимости силовой функции от А в значит. степени базировалась оптическая модель ядра. Силовая функция непосредственно связана с усреднённым но резонансам сечением образования составного ядра. Для s-резонансов:

Полное нейтронное сечение s_t помимо s_с содержит сечение т. н. потенциального рассеяния s_п = 4pR'², слабо зависящее от энергии нейтронов. Величина R' примерно равна радиусу ядра R = r₀А^1/3 (r₀ = 1,310^-13 см - размер нуклона), но на плавную зависимость от А накладываются периодич. отклонения, объясняемые в рамках оптической модели ядра.

Сверхтонкие взаимодействия. Информацию о составных возбуждённых ядрах даёт также изучение т. н. сверхтонких взаимодействий в нейтронных резонансах. Магн. моменты возбуждённых состояний m_В ядра могут быть определены измерением сдвига D

резонансной энергии при поляризации ядер мишени (см. Ориентированные ядра:)

где f_Я - степень поляризации ядер, H - магн. поле на ядре и m₀ - магн. момент ядра-мишени. Однако величина D

<< Г (D

= 3^.10^-6 эВ при f_Я = 1, H = 10⁶ Э, m₀ - m_В, равной одному ядерному магнетону). Это осложняет измерение и ограничивает число доступных изучению ядер. Величины m_В определены для ряда резонансов лантаноидов (Tb, Dy, Но и Er). При этом ср. значение <m_В/I> = 0,34 b 0,22, что согласуется с расчётами в рамках статистической модели ядра.

Электрич. сверхтонкое взаимодействие позволяет получить информацию об изменении распределения заряда в ядре при его возбуждении до энергии, равной энергии связи нейтрона. T. н. хим. сдвиг нейтронного резонанса, характеризующий изменение энергии резонанса при переходе от одного хим. соединения к другому, определяется выражением:

Здесь Dr_e(0) - разность электронных плотностей в местах нахождения ядра в этих соединениях, Z - ат. номер, е - элементарный заряд, D<r²> - изменение среднеквадратичного радиуса заряда ядра. Величина сдвига D

того же порядка, что и в случае магн. взаимодействия. Для изотопов U оказалось, что <r²> несколько меньше <r²>₀ (невозбуждённого ядра) для резонансов с малой делительной шириной Г_f и они примерно равны в случае Г_f > Г_g/2.

Несохранение чётности. В нейтронных резонансах слабое взаимодействие проявляется в виде эффектов несохранения пространств. чётности. Смешивание за счёт слабого взаимодействия состояний составного ядра с разной чётностью (s- и р-резонансы) приводит к различию в сечении р-резонанса для нейтронов с поляризацией параллельно (+) или антипараллельно (-) импульсу:

Здесь s ^p_c - Брейта - Вигнера сечение для неполяри-зов. нейтронов;

- коэф. асимметрии, зависящий от матричного элемента смешивания состояний разной чётности и от параметров резонансов. Экспериментально эффект был обнаружен на ядрах ⁸¹Br, ¹¹¹Cd, ¹¹⁷Sn, ¹³⁹La. Наиб. значение

9^.10^-2 наблюдалось у ¹³⁹La.

Быстрые нейтроны (0,1 <

< 20 МэВ). Кроме метода времени пролёта широко применяются монохрома-тич. пучки нейтронов, получаемые на электростатич. ускорителях в реакциях ²H(d, n), ³H(d, n), ⁷Li(p, n) и др. Помимо характерных для медленных нейтронов упругого рассеяния и радиац. захвата существенный вклад в сечение для средних и тяжелых ядер дают неупругое рассеяние (n,n' g), реакции (n, p), (n, a), a при

>= 10 МэВ -реакции (n, 2n), (n, рn) и др. Отд. резонансы наблюдаются только для ядер с <D> >= 10 кэВ, чаще изучается усреднённое сечение.

Литература по нейтронной спектроскопии

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.