Файл: Кузнецов, Р. А. Активационный анализ.pdf

вращений. Если ядром был поглощен нейтрон с кинетической

В зависимости от энергии возбуждения и свойств составного ядра переход в более низкое энергетическое состояние может совершаться различными путями. В соответствии с характером распада составного ядра выделяют следующие процессы*:

Вероятность образования составного ядра характеризуется полным сечением, а вероятность осуществления какого-либо определенного процесса — парциальным сечением. Очень часто случается, что основной вклад в полное сечение при дачной энергии нейтронов дает только один из перечисленных процес­ сов. При изменении энергии нейтронов меняется и вклад от­ дельных процессов в полное сечение.

Полное сечение зависит от энергии нейтрона, причем ход зависимости для большинства элементов имеет общие черты. Наибольшие значения полного сечения наблюдаются для теп­ ловых нейтронов; с ростом энергии нейтронов оно уменьшается. Для медленных нейтронов у большинства изотопов полное се­ чение меняется обратно пропорционально скорости нейтрона и. Такой ход зависимости сечения получил название закона 1/п. При дальнейшем увеличении энергии нейтронов полное сече­ ние продолжает уменьшаться, приближаясь по величине к гео­ метрическому сечению ядра.

Монотонный ход зависимости полного сечения от энергии нейтронов во многих случаях нарушается при резонансном по­ глощении нейтронов ядрами, которое наблюдается при совпа­ дении энергии возбуждения с одним из энергетических уровней составного ядра. В области резонанса сечения иногда дости­ гают очень высоких значений. Для примера на рис. 8 приве­ дено изменение сечения радиационного захвата медленных нейтронов золотом.

Четко выраженные пики имеют место только при низкой энергии нейтронов. По мере роста их энергии число резонанс­ ных пиков увеличивается, расстояние между ними умень­ шается, а ширина резонансных уровней возрастает. В резуль­ тате происходит слияние пиков в одну плавную кривую.

* П р о ц е с с у п р у г о г о р а с с е я н и я ч е р е з с о с т а в н о е я д р о н е р а с с м а т р и в а е т с я .

59

Радиационный захват. Он оказывается ведущим процессом при взаимодействии медленных и отчасти промежуточных ней­ тронов с ядрами элементов. В области быстрых нейтронов радиационный захват играет уже незначительную роль и его сечение мало. Образовавшееся в этом процессе возбужденное ядро переходит в основное состояние путем испускания одного

или нескольких у-квантов в течение примерно ICO14 сек. Каж­ дый изотоп при таком переходе испускает характерный и обыч­ но сложный спектр у-излучения [70].

В результате реакции А (п, у)™+1А возникает изотоп об­

лучаемого элемента. Хотя часто получающийся изотоп ста­ билен, имеется все же значительное число случаев, когда радиационный захват приводит к возникновению радиоизо­ топа.

Практически у всех элементов периодической системы по реакции (п, у) образуются радиоизотопы. Поскольку они, как правило, являются нейтроноизбыточными, то претерпевают |3_-распад. Имеется незначительное число случаев, когда полу­ чившийся радиоизотоп испытывает |3+-распад или К-захват. Иногда при радиационном захвате образуются изомеры.

Реакции (п, р ) и (я, а). Поскольку для испускания заря­ женных частиц существует потенциальный барьер, эти реакции имеют заметные сечения только при облучении быстрыми ней­ тронами. Правда, для некоторых легких элементов, когда по­

60

но в отдельных случаях могут служить источниками интенсив­ ных потоков заряженных частиц.

значения, чем для тяжелых, что связано с влиянием потенци­ ального барьера ядра. Так, при энергии нейтронов 14 Мэе сечения этих реакций составляют десятые доли барна и посте­

пенно уменьшаются до тысячных долей барна для тяжелых ядер.

По реакции % А(я, р)*£_х А образуется изобар исходного

ядра, который почти всегда радиоактивен и, будучи нейтроно­ избыточным, претерпевает ^--распад, превращаясь снова в исходное ядро. Продукты реакции ^ А (я, а) ^ ~ 2 А также почти всегда радиоактивны и испытывают |3_-распад.

Реакция ( п , 2п). Для освобождения из ядра дополнитель­

нов с энергией 14 Мэе сечение реакции (я, 2я) возрастает с увеличением атомного номера ядра примерно от 0,01 барн для легких ядер до 1—2 барн для элементов с Z>50.

Деление ядер. Некоторые наиболее тяжелые ядра вследст­ вие возрастания кулоновского отталкивания протонов в ядре оказываются энергетически неустойчивыми и способными к са­ мопроизвольному или происходящему под воздействием ядерпого облучения делению на два осколка. При облучении мед­ ленными нейтронами реакция (я, f) наблюдается только на

ядрах 235U и 233U. Быстрые нейтроны вызывают также деление

238U и 232U.

Образующиеся продукты деления являются изотопами мно­ гих элементов, находящихся в середине периодической систе­ мы примерно от Zn до Cd. Поскольку изотопы обычно содер­ жат избыток нейтронов, они радиоактивны и испускают Р- -ча- стицы.

Неупругое рассеяние. В процессе (я, п') нейтрон отдает часть своей энергии для возбуждения ядра. Положение пер­ вого возбужденного состояния зависит от атомного номера ядра. У тяжелых ядер неупругое рассеяние наблюдается при

номера ядра и энергии нейтронов. Оно возрастает при перехо­ де от легких ядер к тяжелым и с ростом энергии нейтронов. При этом сечение неупругого рассеяния меняется не очень сильно — в пределах 0,6—3 барн.

61

При переходе из возбужденного состояния в основное ис­ пускается у-квант с энергией, характерной для каждого ядра. В очень небольшом числе случаев неупругое рассеяние при­ водит к образованию изомеров [71].

нейтрона и испускание вместо него другой частицы, кванта или быстрых нейтронов. Эти реакции выводят медленные нейтроны из потока и поэтому их суммарное сечение объединяют под названием сечение поглощения. При облучении некоторых проб поглощение медленных нейтронов оказывается настолько зна­ чительным, что приводит к заметному изменению энергетиче­ ского спектра и плотности потока. Это создает некоторые за­ труднения при выполнении анализов (см. § 4 этой главы).

§ 2. Источники нейтронов

Основные типы и характеристики источников нейтронов.

Получение нейтронов в свободном состоянии в виде достаточно интенсивных потоков возможно только в результате двух ос­ новных процессов: ядерных реакций и деления (спонтанного или вынужденного). Имеется значительное число ядерных ре­ акций, в ходе которых освобождаются нейтроны, но все они требуют источника первичного излучения с достаточно высокой энергией. Таковыми могут быть некоторые радиоизотопы или ускорители заряженных частиц.

Радиоизотопные источники преимущественно основываются на ядерных реакциях типа (а, га) и (у, га). Из ускорителей для получения нейтронов чаще других используются ускорители дейтронов [реакция (d, га)]; протонов [реакция (р, га)] и элек­ тронов, тормозное излучение которых позволяет осуществлять реакцию (у, га). Последние две реакции требуют ускорения за­ ряженных частиц до энергий выше 1,5 Мэе, в то время как ре­ акция (d, га) имеет высокое сечение уже при энергии дейтронов около 100 кэв.

Наиболее интенсивные потоки нейтронов возникают в ядер­ ных реакторах, в которых нейтроны освобождаются в ходе цеп­ ной реакции, основанной на процессе вынужденного деления ядер некоторых тяжелых элементов. Как известно, в этом про­ цессе на каждый поглощенный первичный нейтрон возникает 2—3 вторичных нейтрона. При определенных условиях цепная реакция деления становится самоподдерживаюшимся процессом, который сопровождается выделением большого количества ней­ тронов и энергии.

Для аналитического применения основными параметрами ис­ точников нейтронов представляются плотность потока нейтронов в зоне облучения и энергетический спектр нейтронов. В боль­ шинстве элементарных процессов возникают быстрые нейтроны,

62