Neutronfysik

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 mars 2017; kontroller kräver 6 redigeringar .

Neutronfysik  är en gren av elementarpartikelfysik som behandlar studiet av neutroner , deras egenskaper och struktur ( livstid , magnetiskt moment , etc.), produktionsmetoder, samt möjligheterna att använda dem för tillämpade och forskningsändamål.

Fysik

Neutroner

Neutronens brist på elektrisk laddning resulterar i att de för det mesta interagerar direkt med atomkärnor , antingen orsakar kärnreaktioner eller sprids av kärnorna. Karakteristiken och intensiteten hos interaktionen mellan neutron och kärna ( neutrontvärsnitt ) beror i huvudsak på neutronenergin. Neutronfysiken använder huvudsakligen neutroner med energier från 10 7 till 10 −7 eV (de Broglie-våglängder från 10 −12 till 10 −5 cm). Enligt detta intervall av energier och våglängder, objekt med storlekar från 10–12 cm och karakteristiska excitationsenergier på 106–107 eV ( av atomkärnan) till objekt med dimensioner på  10–4 cm synliga i ett optiskt mikroskop (t.ex. makromolekyler av biopolymerer) undersöks .

Neutronstrålning är villkorligt uppdelad i energiområden som skiljer sig åt i metoderna för att erhålla och detektera neutroner, såväl som i riktningarna för deras användning:

Neutroner Energi Ε , eV Hastighet v , cm/s ons våglängd λ, cm Medeltemperatur Τ cf , K
Snabb > 10 5 > 1,4⋅10 9 < 10 −12 10 10
Långsam
mellanliggande 10 4 -10 3 1,4⋅10 8 3⋅10 −11 10 8
resonans 0,5–10 4 1,4⋅10 7 3⋅10 −10 10 6
Termisk 0,5−5⋅10−3 _ 2⋅10 5 2⋅10−8 _ 300
Kall 5⋅10 −3 −10 −7 4.4⋅10 4 9⋅10−8 _ tio
Ultrakallt 10 −7 4,4⋅10 2 9⋅10−6 _ 10 −3

Neutroner med kinetisk energi E > 100 keV kallas snabba. De kan uppleva oelastisk spridning på kärnor och inducera endotermiska kärnreaktioner , såsom ( n , α ), ( n , 2n ), ( n , pn ). Tvärsnitten av dessa reaktioner beror relativt smidigt på E (över deras karakteristiska energitröskel), och deras studie gör det möjligt att studera mekanismen för distribution av excitationsenergin mellan nukleonerna som utgör kärnan.

Neutroner med energier E < 100 keV kallas ofta långsamma neutroner, de är i sin tur indelade i resonans och intermediär. Långsamma neutroner sprids mestadels elastiskt på kärnor eller orsakar exoterma kärnreaktioner, framför allt strålningsfångning ( n , γ), reaktioner som ( n , p), (n, α) och kärnklyvning . Reaktioner 3 He( n , p ) 3H ; 10B (n, α) 7Li används för att detektera neutroner; den andra av dem är också för skydd mot neutronstrålning.

Namnet "resonansneutroner" beror på närvaron av resonansmaxima (neutronresonanser) i energiberoendet för det effektiva tvärsnittet σ( E ) av interaktionen mellan neutroner och materia. Undersökningar med resonansneutroner gör det möjligt att studera kärnans excitationsspektrum. I energiområdet för mellanliggande neutroner utjämnas resonansstrukturen för tvärsnittsneutroner på grund av överlappningen av intilliggande resonanser. Tvärsnittet av en kärnreaktion som orsakas av tillräckligt långsamma neutroner är omvänt proportionell mot deras hastighet. Denna relation kallas "lagen 1/ v ". En avvikelse från denna lag observeras när E blir jämförbar med energin för den första resonansnivån.

Får

Praktiskt taget i alla neutronfysikstudier används strålar av monoenergetiska neutroner med en monokromatiseringsgrad på ~10 −2 . Intensiva strålar av snabba neutroner produceras vid laddade partikelacceleratorer i kärnreaktioner ( p , n ) och ( d , pn ). Neutronenergin E ändras när energin hos de primärt laddade partiklarna som faller på målet varierar.

Långsamma neutroner kan också erhållas vid alla typer av acceleratorer, inklusive vid elektronacceleratorer som ett resultat av reaktioner (γ, n) när mål på tunga grundämnen bestrålas med γ-kvanta av elektronbremsstrålning. De resulterande snabba neutronerna kan bromsas. Vanligtvis används vätehaltiga ämnen (vatten, paraffin och andra) för detta, där neutroner förlorar sin energi och sprids på vätekärnor. Men efter att ha saktat ner är neutronerna inte monoenergetiska.

För att erhålla monoenergetiska neutroner används time-of-flight-metoden , som kräver pulsade neutronkällor. Vid varje tidpunkt t efter neutronpulsen anländer neutroner till detektorn på ett avstånd L från källan med en energi som bestäms av relationen

där energin är i elektronvolt , avståndet är i meter och tiden är i mikrosekunder.

Kraftfulla källor för termiska neutroner - kärnreaktorer skapar termiska neutronflöden inuti moderatorerna upp till 10 15 neutroner / (cm 2 s). Monoenergetiska termiska neutroner produceras på enkristaller. För att erhålla kalla neutroner används moderatorer, kylda till temperaturen för flytande kväve och till och med flytande väte (20 K). Ultrakalla neutroner extraheras från moderatorn med skarpt böjda vakuumneutronledare .

Forskning

Energin hos termiska neutroner är jämförbar med energin för termiska vibrationer hos atomer i ett fast ämne, och λ n  är jämförbar med det interatomära avståndet. När termiska neutroner passerar genom materia kan de avsevärt förändra sin energi, förvärva eller ge den till termiska vibrationer av atomer eller molekyler. Storleken på sådana förändringar kan användas för att erhålla fononspektrumet för ett ämne. När termiska neutroner sprids av enkristaller sker neutrondiffraktion.

Individuella studier

Kalla neutroner används för att studera långsamma diffusionsrörelser av atomer och molekyler i olika medier, samt för att studera proteinmakromolekyler, polymerer, mikrodefekter och mikroinhomogeniteter i lösningar och legeringar.

Ultrakalla neutroner reflekteras helt från de flesta material på grund av ett slags "repulsion" av deras substans. Detta fenomen liknar den totala inre reflektionen av ljus vid gränsen mellan två medier och kan beskrivas med det imaginära brytningsindexet för neutronstrålning med en våglängd λ n > 500 Å. På grund av detta kan ultrakalla neutroner ackumuleras och lagras under lång tid (hundratals sekunder) i slutna kärl.

Närvaron av ett magnetiskt dipolmoment i neutroner orsakar magnetisk spridning av en neutron av atomära elektroner, vilket gör det möjligt att studera strukturen och dynamiken hos magnetiska material.

Ämnet för studien av neutronfysik är också neutronens egenskaper som en elementarpartikel. Av stor betydelse för den svaga interaktionens fysik är den exakta mätningen av neutronens livslängd [1] . Många förlängningar av standardmodellen förutspår att neutronen har ett elektriskt dipolmoment som inte är noll , såväl som förekomsten av neutron-antineutronoscillationer .

Betydelse

Resultaten av neutronfysikalisk forskning är av särskild praktisk betydelse i samband med problemen med att erhålla kärnenergi, eftersom neutroner spelar huvudrollen i processen för kärnklyvning och termonukleär fusion.

Litteratur

Länkar

  1. ↑ Neutronlivslängdsmätningar gjorda med olika metoder skiljer sig fortfarande åt. . "Element". Vetenskapsnyheter. Fysik. (3 december 2013). Datum för åtkomst: 10 december 2013. Arkiverad från originalet den 17 december 2013.

Se även

 Avsnitt av kärnfysik