Neutronfizika

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2017. március 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .

A neutronfizika az elemi részecskefizika  egyik ága , amely a neutronok , tulajdonságaik és szerkezetük ( élettartam , mágneses momentum stb.), előállítási módszerei, valamint alkalmazott és kutatási célú felhasználási lehetőségeinek vizsgálatával foglalkozik.

Fizika

Neutronok

A neutronok elektromos töltésének hiánya azt eredményezi, hogy többnyire közvetlenül kölcsönhatásba lépnek az atommagokkal , vagy magreakciókat okoznak, vagy szétszórják őket az atommagok. A neutronmag kölcsönhatás jellemzői és intenzitása ( neutronkeresztmetszetek ) alapvetően a neutronenergiától függ. A neutronfizika főként 10–10–7 eV energiájú neutronokat használ ( 10–12 és 10–5 cm közötti de Broglie hullámhosszúság ). Ennek az energia- és hullámhossz-tartománynak megfelelően a 10–12 cm méretű és 106–107 eV ( az atommag) karakterisztikus gerjesztési energiájú objektumok az optikai mikroszkópban látható  10–4 cm méretű objektumokig (pl. biopolimerek makromolekuláit ) vizsgálják .

A neutronsugárzást feltételesen energiatartományokra osztják, amelyek különböznek a neutronok megszerzésének és kimutatásának módszereiben, valamint felhasználási irányaiban:

Neutronok Energia Ε , eV Sebesség v , cm/s Házasodik hullámhossz λ, cm Átlaghőmérséklet Τ cf , K
Gyors > 10 5 > 1,4⋅10 9 < 10 −12 10 10
Lassú
közbülső 10 4 - 10 3 1,4⋅10 8 3⋅10 −11 10 8
rezonáns 0,5-10 4 1,4⋅10 7 3⋅10 −10 10 6
Termikus 0,5–5⋅10–3 _ 2⋅10 5 2⋅10-8 _ 300
Hideg 5⋅10 −3 −10 −7 4,4⋅10 4 9⋅10-8 _ tíz
Ultrahideg 10 −7 4,4⋅10 2 9⋅10-6 _ 10 −3

Az E > 100 keV kinetikus energiájú neutronokat gyorsnak nevezzük. Képesek rugalmatlan szóródást tapasztalni a magokon és endoterm magreakciókat indukálni , mint például ( n , α ), ( n , 2n ), ( n , pn ). Ezeknek a reakcióknak a keresztmetszete viszonylag simán függ az E - től (a rájuk jellemző energiaküszöb felett), és vizsgálatuk lehetővé teszi a gerjesztési energia eloszlási mechanizmusának tanulmányozását az atommagot alkotó nukleonok között.

Az E < 100 keV energiájú neutronokat gyakran lassú neutronoknak nevezik, ezeket viszont rezonáns és köztes neutronokra osztják. A lassú neutronok többnyire rugalmasan szóródnak az atommagokon, vagy exoterm magreakciókat idéznek elő, leginkább sugárzási befogást ( n , γ), olyan reakciókat, mint ( n , p), (n, α) és maghasadást . Reakciók 3 He( n , p ) 3 H; 10 B(n, α) 7 Li a neutronok kimutatására szolgál; közülük a második szintén a neutronsugárzás elleni védelemre szolgál.

A "rezonáns neutronok" elnevezés a neutronok anyaggal való kölcsönhatásának σ( E ) effektív keresztmetszetének energiafüggésében rezonanciamaximumok (neutronrezonanciák) jelenlétének köszönhető . A rezonáns neutronokkal végzett vizsgálatok lehetővé teszik az atommagok gerjesztési spektrumának tanulmányozását. A közbenső neutronok energiatartományában a keresztmetszetű neutronok rezonanciaszerkezete a szomszédos rezonanciák átfedése miatt kisimul. A kellően lassú neutronok által okozott nukleáris reakció keresztmetszete fordítottan arányos a sebességükkel. Ezt az összefüggést "1/ v törvénynek" nevezzük . Ettől a törvénytől való eltérés akkor figyelhető meg, ha E összehasonlíthatóvá válik az első rezonanciaszint energiájával.

Getting

Gyakorlatilag minden neutronfizikai vizsgálatban ~ 10-2 monokromatizáltsági fokú monoenergetikus neutronnyalábokat használnak . A nukleáris reakciók ( p , n ) és ( d , pn ) töltött részecskegyorsítóinál intenzív neutronnyalábok keletkeznek . A neutron E energiája változik, ahogy a célpontra eső primer töltésű részecskék energiája változik.

Lassú neutronok is előállíthatók minden típusú gyorsítónál, beleértve az elektrongyorsítókat is a reakciók (γ, n) eredményeként, amikor a nehéz elemeken lévő célpontokat az elektronok fékezésének γ-kvantumával sugározzák be. A keletkező gyors neutronok lassíthatók. Ehhez általában hidrogéntartalmú anyagokat (víz, paraffin és mások) használnak, amelyekben a neutronok elveszítik energiájukat, szétszóródva a hidrogénatomokon. Lassítás után azonban a neutronok nem monoenergetikusak.

A monoenergetikus neutronok előállításához a repülési idő módszerét alkalmazzák , amely impulzusos neutronforrásokat igényel. A neutronimpulzus után minden t időpillanatban neutronok érkeznek a detektorhoz a forrástól L távolságra , az összefüggés által meghatározott energiával.

ahol az energia elektronvoltban van megadva , a távolság méterben, az idő pedig mikroszekundumban.

Erőteljes termikus neutronforrások - az atomreaktorok termikus neutronfluxusokat hoznak létre a moderátorokon belül akár 10 15 neutron / (cm 2 s) értékig. Egykristályokon monoenergetikus termikus neutronok keletkeznek. A hideg neutronok előállításához moderátorokat használnak, amelyeket folyékony nitrogén, sőt folyékony hidrogén (20 K) hőmérsékletére hűtnek le. Az ultrahideg neutronokat élesen ívelt vákuumneutronvezetők vonják ki a moderátorból .

Kutatás

A termikus neutronok energiája összemérhető a szilárd  testben lévő atomok hőrezgésének energiájával , λ n pedig az atomok közötti távolsággal. Amikor a termikus neutronok áthaladnak az anyagon, jelentősen megváltoztathatják energiájukat, felvehetik vagy atomok vagy molekulák hőrezgéseinek adják át. Az ilyen változások nagysága felhasználható egy anyag fononspektrumának meghatározására. Amikor a termikus neutronokat egykristályok szórják, neutrondiffrakció megy végbe.

Egyéni tanulmányok

A hidegneutronokat atomok és molekulák lassú diffúziós mozgásának tanulmányozására használják különféle közegekben, valamint fehérje makromolekulák, polimerek, mikrohibák és mikroinhomogenitások vizsgálatára oldatokban és ötvözeteken.

Az ultrahideg neutronok a legtöbb anyagról teljesen visszaverődnek, anyaguk egyfajta "taszítása" miatt. Ez a jelenség hasonló a fény teljes belső visszaverődéséhez két közeg határán, és a λ n > 500 Å hullámhosszú neutronsugárzás képzeletbeli törésmutatójával írható le . Ennek köszönhetően az ultrahideg neutronok felhalmozódhatnak és hosszú ideig (több száz másodpercig) tárolhatók zárt edényekben.

A mágneses dipólusmomentum jelenléte a neutronokban a neutronok atomi elektronok általi mágneses szóródását okozza, ami lehetővé teszi a mágneses anyagok szerkezetének és dinamikájának tanulmányozását.

A neutronfizika vizsgálatának tárgya magának a neutronnak, mint elemi részecskenak a tulajdonságai is. A gyenge kölcsönhatás fizikája szempontjából nagy jelentősége van a neutron élettartamának pontos mérésének [1] . A Standard Modell számos kiterjesztése azt jósolja, hogy a neutronnak nem nulla elektromos dipólusmomentuma van , valamint neutron-antineutron oszcillációk léteznek .

Jelentése

A neutronfizikai kutatások eredményei különösen gyakorlati jelentőséggel bírnak az atomenergia megszerzésének problémái kapcsán, hiszen a maghasadás és a termonukleáris fúzió folyamatában a neutronok játsszák a főszerepet.

Irodalom

Linkek

  1. ↑ A különböző módszerekkel végzett neutronélettartam mérések továbbra is eltérnek. . "Elemek". Tudományos hírek. Fizika. (2013. december 3.). Hozzáférés időpontja: 2013. december 10. Az eredetiből archiválva : 2013. december 17.

Lásd még

 A magfizika szakaszai