НЕЙТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Раздел нейтронной физики, в к-ром изучаются энергетич. зависимость эффективных поперечных сечений а разл. процессов вз-ствия нейтронов с ат. ядрами и св-ва образующихся возбуждённых состояний ядер. Характер вз-ствия зависит от энергии ? нейтрона. При ? см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА).

Рис. 1. Нейтронные резонансы.

Характерная особенность зависимости s(?)—наличие резонансов (рис. 1). Каждому резонансу соответствует возбуждённое состояние составного ядра с массовым числом A+1 (А — массовое число исходного ядра) и энергией возбуждения, равной сумме энергии связи ?св нейтрона в ядре и величины

?0•A/(A+1),

где ?0 — кинетич. энергия нейтрона, соответствующая макс. сечению. Зависимость сечения образования составного ядра sс вблизи резонанса описывается Врейта — Вигнера формулой:

Здесь lн — длина волны де Бройля нейтрона, g — статистич. фактор, зависящий от спинов исходного и составного ядер, Г — полная ширина резонанса, равная ширине пика на половине высоты, связанная со временем жизни т образующихся возбуждённых состояний ядер соотношением: t=ћ/Г. Величина t для разл. ядер лежит в диапазоне 10-14—10-18 с. Вероятность распада составного ядра но тому или иному каналу (i) определяется т. н. парциальными ширинами: нейтронной шириной Гп (распад с вылетом нейтрона), радиац. шириной Гg (распад с вылетом g-кванта). Делительной шириной Гf и т. д. Полная ширина равна сумме парциальных ширин:

Г = Гп+Гg+Гf + Гa+..., (2)

а сечение распада составного ядра по каналу i

si =sсГi/Г. (3)

Эксперим. исследование зависимостей s(?) и si(?) позволяет определить хар-ки возбуждённых уровней составного ядра: энергию, полные и парциальные ширины, спины, чётность. Для измерения энергетич. зависимости эфф. сечений s(?) применяют н е й т р о н н ы е с п е к т р о м е т р ы, гл. обр. спектрометры по времени пролёта (рис. 2). Импульсный источник И генерирует нейтроны со сплошным энергетич. спектром в виде короткой вспышки длительностью Dt. Нейтроны, прошедшие через исследуемую мишень М, регистрируются детектором нейтронов Д (рис. 2, а), а электронный временной анализатор ВА фиксирует интервал времени t между вспышкой нейтронного источника и моментом регистрации нейтрона детектором. Время пролёта t (в мкс) связано с энергией нейтрона ? (в эВ) соотношением:

?=(72,3L)2/t2,

где L — расстояние от источника до детектора (в м).

Рис. 2. Схемы экспериментов для измерения нейтронных эфф. сечений: a — полного сечения; б — парциальных сечений; К — коллиматоры .

Энергетич. разрешение D?/? спектрометра приближённо можно представить в виде:

D?/?=2Dt/t=2Dtv/L, (4)

где v — скорость нейтронов. В совр. нейтронных спектрометрах источниками нейтронов служат электронные или протонные ускорители с длительностью вспышки от 1 до 100 нс и интегр. выходом до 1014 нейтронов в 1 с.

Полное эфф. сечение st определяют по т. н. пропусканию Т нейтронов:

T=N/N0=exp(-nst). (5)

где N и N0 — показания детектора с мишенью в пучке и вне пучка (рис. 2, а), n — толщина мишени (в числе ядер на 1 см2). Для измерения парциальных сечений детектор Дi, чувствительный только к данным продуктам распада, располагают вне пучка, рядом с мишенью (рис. 2, б). Для тонкой мишени скорость счёта пропорц. si. Большую информацию о св-вах яд. уровней получают, если детектор может регистрировать энергетич. спектр продуктов реакции (g-квантов, a-частиц, осколков деления). Нейтронные ширины Гп резонансов при s-волновом взаимодействии (орбит. момент l=0) с увеличением энергии ? растут в среднем пропорц. ?1/2, поэтому чаще пользуются приведёнными нейтронными ширинами Г0п=Гп/?1/2. Последние сильно флуктуируют от резонанса к резонансу, подчиняясь т. н. распределению Портера — Томаса:

Р(х)=(2pх)-1/2ехр( -х/2), (6)

где x=Г0п/<�Гп>. Энергетич. интервалы D между соседними резонансами также довольно широко распределены вокруг ср. значения , к-рое уменьшается с ростом А от 104 эВ для А»30 до 1 эВ для A»240. Захват нейтронов ядром с нечётным А приводит к меньшим значениям по сравнению с соседними чётными ядрами из-за различия в энергии связи нейтрона. Существенно увеличивается для магических ядер. Ср. значения <�Г0п> и коррелируют между собой: если каждая из этих величин может меняться от ядра к ядру на 2—3 порядка, то их отношение S0=<�Г0п>/, наз. нейтронной силовой функцией, изменяется с А слабо и плавно. Для l=0 силовая функция имеет максимумы (S0=4•10-4) в области А»50 н A=150 и минимумы (S0»0,3•10-4) при A=100. Силовая ф-ция непосредственно связана с сечением образования составного ядра (усреднённым по мн. резонансам):

При взаимодействии с ядрами быстрых нейтронов (0,1???20 МэВ) существенный вклад в сечение дают неупругое рассеяние (n, n'g), реакции с вылетом заряженных частиц (n, p), (n, a) и др. Для измерения сечений используются монохроматич. пучки нейтронов, получаемые на электростатических ускорителях (генераторах Ван-де-Граафа) в реакциях 3Н (p, n), 7Li(p, n), 2H(d, n), 3H(d, n) и др., а также методом времени пролёта.