5 射線與物質(zhì)的相互作用(中子)

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1、中子與物質(zhì)的相互作用王德忠教授核科學(xué)與工程學(xué)院2009/9/211/36中子與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用：?表現(xiàn)為兩個粒子的碰撞?中子波與核的相互作用?11中子波長：2.86?10米??EE為中子能量注：除非對于能量非常低的中子外，在討論中子的運(yùn)動時，把它看成為一個粒子來描述是適當(dāng)?shù)?009/9/212/36中子與物質(zhì)的相互作用在反應(yīng)堆物理分析中通常按中子能量把它們分為：?快中子（0.1MeV以上）；?超熱中子或中能中子（1eV到0.1MeV）；?熱中子（1eV以下）。中子與原子核的相互作用過程有三種：勢散射、直接相互作用和復(fù)合核的

2、形成。2009/9/213/36勢散射?它是中子波和核表面勢相互作用的結(jié)果。此情況下的中子并未進(jìn)入靶核。任何能量的中子都有可能引起這種反應(yīng)。2009/9/214/36勢散射作用的特點(diǎn)：?散射前后靶核的內(nèi)能沒有變化。?入射中子把它的一部分或全部動能傳給靶核，成為靶核的動能。?勢散射時，中子改變了運(yùn)動的方向和能量。?勢散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動能和動量守恒。2009/9/215/36直接相互作用入射中子直接與靶核內(nèi)的某個核子碰撞，使某個核子從核里發(fā)射出來，而中子卻留在核內(nèi)，如果從靶核里發(fā)射出來的核子是質(zhì)子，這就是直接相互作用（n，p）反應(yīng)。如果從靶核里發(fā)射出來的核子是中子，而靶

3、核發(fā)射γ射線，同時由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，這就是直接非彈性散射過程。2009/9/216/36復(fù)合核的形成（1）復(fù)合核的形成：AA?1中子+靶核[]X復(fù)合核*[]XZZ（2）復(fù)合核的分解：A?1復(fù)合核[]ZX反沖核+散射粒子*號表示復(fù)合核處于激發(fā)態(tài)2009/9/217/36激發(fā)態(tài)的復(fù)合核衰變或分解?（n,p）：復(fù)合核放出一個質(zhì)子而衰變；?（n,α）：復(fù)合核放出一個α粒子而衰變；?共振彈性散射或稱為復(fù)合彈性散射（n,n）：復(fù)合核放出一個中子，余核回到基態(tài)；?共振非彈性散射或者稱為復(fù)合非彈性散射（n,n）：復(fù)合核放出一個中子，余核處于激發(fā)態(tài)，再放出γ光子回到基態(tài)；?輻射俘獲（n,γ）

4、：復(fù)合核通過發(fā)射俘獲γ射線而衰變?核裂變（n,f）：復(fù)合核還可以通過分裂成兩個較輕的核的方式而衰變2009/9/218/36共振現(xiàn)象?當(dāng)入射中子的能量具有某些特定值，恰好使形成的復(fù)合核激發(fā)態(tài)接近于一個量子能級時，那么形成復(fù)合核的幾率就顯著地增大。?共振吸收對反應(yīng)堆內(nèi)的物理過程有著很大的影響。2009/9/219/36復(fù)合核壽命?能級寬度Γ的定義為：??h?電子伏?復(fù)合核的能級寬度為Γ的激發(fā)態(tài)，其平均壽命便等于：1ht?????復(fù)合核的激發(fā)態(tài)的壽命與能級寬度成反比2009/9/2110/36復(fù)合核的衰變幾率?單位時間內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核的某種衰變方式的幾率，可以用該過程的能級

5、分寬度來表示。例：?Γγ叫做輻射寬度：單位時間內(nèi)復(fù)合核發(fā)射射線而衰變的幾率；?Γn叫做中子寬度：單位時間內(nèi)復(fù)合核散射出中子而衰變的幾率；?總衰變幾率是所有可能衰變方式的幾率的總和：??????n???I2009/9/2111/361)彈性碰撞(elasticcollision)中子與物質(zhì)中原子核碰撞時把部分能量傳給原子核，帶有能量的原子核脫出原子，此原子核稱反沖核，而中子本身帶著較低能量改變運(yùn)動方向繼續(xù)行進(jìn)成中子散射，這種現(xiàn)象稱彈性碰撞。帶電荷的反沖核獲得能量后，在其運(yùn)動途中可引起物質(zhì)電離和激發(fā)2009/9/2112/36?在彈性散射過程中，由于散射后靶核的內(nèi)能沒有變化，它

6、仍保持在基態(tài)，散射前后中子——靶核系統(tǒng)的動能和動量守恒，可以把這一過程看作“彈性球”式的碰撞，對此種過程，可根據(jù)動能和動量守恒，用經(jīng)典的方法來處理2009/9/2113/36彈性散射(n,n)出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核2009/9/21142)非彈性碰撞(inelasticcollision)概念——快中子沖入物質(zhì)原子核內(nèi)，把部分能量傳給原子核，使核處于激發(fā)態(tài)，中子帶著剩余的能量從核內(nèi)飛出，激發(fā)態(tài)核從中子得到能量以?光子的形式釋出，原子核回到基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為非彈性碰撞A1A?1A1X?n?(X)??(X)??nZ0ZZ0?AX??Z2009/9/2115/36非彈性

7、散射(n,n’?)入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時放出一個或幾個特征?光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。2009/9/2116非彈性碰撞?過程的守恒——?非彈性碰撞中，入射中子的一部分（通常為絕大部分）動能轉(zhuǎn)變成靶核的內(nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后靶核通過發(fā)射γ射線又反射回到基態(tài)。散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動量守恒，但動能不守恒2009/9/2117/36非彈性碰撞?非彈性碰撞的特點(diǎn)——?只有入射中子的動能高于靶核的第一激發(fā)態(tài)的能量時才能使靶核激發(fā)，即只有入射中子的能量高