中子核反應

中子是不帶電粒子，只能與原子核碰撞時將能量傳遞給原子核，產生帶電的次級粒子引起電離作用。中子與物質的相互作用過程分為散射和核反應兩大類。散射包括彈性散射和非彈性散射，核反應包括輻射俘獲、放出帶電粒子和核裂變等。

中子核反應在研究核結構和核反應機制及核能利用中占重要地位。

基本介紹

• 中文名：中子核反應
• 外文名： neutron induced nuclear reaction
• 定義：中子同原子核相互作用引起核反應
• 類別：輻射俘獲 放出帶電粒子 核裂變

定義

中子同原子核相互作用引起的核反應，一般可以用X+n→Y+a+Q或X(n，a)Y表示。同其他粒子引起的核反應一樣，中子核反應也是研究核結構和核反應機制的重要手段。1932年發現中子後，人們對中子同原子核和中子同大塊物質的相互作用進行了廣泛、深入的研究。在此基礎上，核能套用得以迅速發展(見核裂變)。因此，同原子核物理學中的其他分支比較起來，中子物理同實際套用結合得更為緊密。中子的重要特徵是它不帶電，不存在庫侖勢壘的阻擋，這就使得幾乎任何能量的中子同任何核素都能夠發生反應。在實際套用中，低能中子的反應往往起著更為重要的作用。 研究中子核反應，往往就是研究中子反應截面隨核素變化、隨入射中子能量變化(激發函式)和隨產物的出射角度變化(角分布)的規律以及反應產物的能量分布(能譜)等。

原理

中子與物質相互作用決定於中子與原子核之間的核力。中子與電子之間的磁（矩）作用非常小，一般可以忽略。中子與原子核之間的核力主要由中子與核內質子之間以及中子與核內中子之間作用力組成。作用力的強或弱，首先決定於作用距離。一般發生在10^-13cm之間，其次是決定於相互之間的自旋取向，其實質類似一種引力。所以，原則上講任何能量中子與物質作用，形成複合核的可能性都比較大。實際上低能量的（或稱低速度）中子（例如10eV）與原子核相碰撞時，具有很大幾率被原子核俘獲，形成複合核。中子被原子核俘獲後，形成具有複合核的激發能（E_核）為

E_核

式中：M為碰撞核的質量；m為中子質量；εn為中子在覆核內的結合能；E為碰撞前中子的動能。受激複合核通過發射粒子（帶電粒子或中子）或發射 γ量子或發生核裂變，躍遷到具有較低能級的基態。由此可見，無論發生哪種核反應的幾率都與能量特徵有關。例如，當發射粒子（p，α，n）的結合能（ε_x）小於覆核的激發能（E_核）時，原子核才有可能在俘獲中子後發生髮射粒子的核反應。也就是

E_核= 或

式中：Q為核反應能量；當 Q>0時稱放熱核反應；當 Q<0時，稱吸熱核反應。發射帶電粒子的（n，p）和 （n，α）核反應，可以是吸熱反應也可以是放熱反應。

對中子來講，其反應截面一般與1/v成正比（v為慢中子速度）。慢中子碰撞引起發射帶電粒子核反應必須是放熱反應。反應能量（Q）必須足夠大，才能使帶電粒子有相當大的核庫侖勢壘穿透率。勢壘高度近似與原子序數Z^2/3成正比。這個條件把慢中子引起帶電粒子核反應限制在輕元素核範圍內。

原子核對中子來講沒有勢壘，俘獲中子後的複合核，可以發射任何能量的中子，都是幾率極大的作用過程。其發射中子的幾率與入射中子的速度成正比，也就是與中子能量的平方根（E^1/2）成正比。

任何能量中子，都能與任何原子核作用（除氦核，即α粒子）進行輻射俘獲（n，γ）反應。根據核能級的級聯關係，可以發射一個或幾個能量γ量子。由於發射中子核反應的競爭，輻射俘獲的幾率很小只有較低能量的入射中子，才有利形成輻射俘獲。中子能量越低（n，n）反應的幾率越小；而（n，n′）和輻射俘獲反應的幾率占優勢[而非彈性散射（n，n′）反應也常常伴隨γ射線的發射]。

從原理上講，質量數A>100的核都可以看成是亞穩態。如果給原子核以足夠的能量，這些原子核都能進行裂變。這個能量叫做激活能，激活能大的核裂變幾率就小。只有某些具有低激活能的最重的原子核，裂變幾率才是最大的。核裂變反應，總是和（n，n）、（n，n′）反應以及輻射俘獲（n，γ）同時發生。

反應類型

中子裂變反應

中子引起某些重核如²³⁵U裂變的反應，記作(n，f)，是一種有重要意義的中子核反應。²³⁵U吸收中子後分裂成兩塊質量數為70～170的裂變碎片。由於這些碎片的中子過剩，在差不多分裂的同時放出平均數為2～3的瞬發中子並釋放出約150MeV的反應能。這種中子的增殖可以使裂變反應持續不斷地進行，形成鏈式反應，這正是裂變反應堆和某些核武器的物理基礎。

中子與重原子核碰撞，使重原子核分裂（n，f），釋放出中子（幾個中子），絕大多數為瞬發（10^-8s）中子；也有極少數（0.7%）重核，經過一段時間之後發射中子，稱緩發中子。如快中子（En>1MeV）和熱中子作用下²³⁸U和²³⁵U產生裂變反應，緩發中子可以來直接探測礦石中鈾的含量。

中子輻射俘獲

中子被核俘獲後形成複合核，然後通過放出一個或多個γ光子退激的反應，記作(n，γ)。釋放的γ射線的總能量等於複合核的激發能。研究γ射線的能譜，可以得到複合核能級結構、輻射過程性質等(見複合核模型)。此外，(n，γ)反應還是生產核燃料、超鈾元素等的重要反應。例如通過反應(式中為反中微子)可以生成核燃料鈽239Pu。

原子核俘獲中子後形成的激發態的覆核系統，在極短時間內放出一個或幾個γ光子的輻射衰變回到基態，這樣的反應過程叫輻射俘獲，表示為（n，γ）。（n，γ）反應與非彈性散射（n，n′），發射其他粒子核反應以及發生核裂變等反應是相互競爭的，對不同能量中子各有優勢。發射帶電粒子的條件是當粒子的激發能量比粒子的結合能量大時才有可能。中子的輻射俘獲和散射之間的競爭，只有當中子能量非常小，僅等於或小於10eV數量級時，才有利於產生輻射俘獲。隨著中子能量增大，輻射俘獲幾率減小。²⁵²Cf中子源經過慢化使中子能量降低，作為輻射俘獲的中子源是非常有利的。用於輻射俘獲γ能譜測井，可以一次測量多種元素，成為元素測井的主要方法。對絕大多數元素來講，輻射俘獲產生的γ射線能量大於3MeV，較天然核素高很多，不易受到干擾。表2-3-4為幾種輻射俘獲元素的參數。

中子輻射俘獲很像X射線螢光，在激發的同時進行γ能譜測量。比常規中子活化速度快。也像中子活化一樣，分析元素的靈敏度各不相同。如果使用高能量解析度半導體探測器，可達微量級。

每個元素的中子輻射俘獲和中子能量以及核反應截面關係密切。用於進行元素分析的靈敏度，常用靈敏係數來表示。即s=Iσ/A。式中I為俘獲每100箇中子產生的γ射線數，σ為反應截面（10^-28m²），A為原子量（表2-3-4）。

中子輻射俘獲可用於測井，稱為元素測井；可用於深海（5～6km）海底，進行連續測量，探查錳結核的分布；也可以作為中子活化分析的一個特殊方法。

帶電子發射

從快中子到熱中子與原子核發生碰撞，使穩定原子核發射帶電粒子，最主要的核反應有（n，p），（n，α）。這些核反應都伴隨有γ射線發射，是中子活化分析和中子活化測井的基本依據。

產生帶電粒子反應的統稱。由於發射帶電粒子要穿過庫侖勢壘，所以在慢中子能區只有為數不多的幾個輕核可產生這類反應，如3He(n，p)、6Li(n，α)、10B(n，α)等。對於中重核及重核，在中子能量夠高時也可以產生這類反應，但一般截面都不大。 中子的吸收 　吸收中子而不放出中子的反應，其截面可以直接測量。實際上其中包含了(n，γ)和(n，X)反應。有時也將中子的吸收稱作中子的消失，其相應的截面稱為中子消失截面 ，而把除σe和散射截面以外的截面之和稱作吸收截面。由於低能區多數核不發生(n，X)和(n，f)反應，所以此時吸收截面常常就是(n，γ)截面，對於裂變核，就是+σ f。 中子截面在能量上分區 　在通常的中子能量En20MeV能區內，主要就是上面這些反應。中子同核相互作用隨中子能量不同和靶核不同而表現出明顯不同的特徵。關於靶核類型以及中子能量的區分並不是十分嚴格的。習慣上將靶核分作輕核、中重核和重核。一般說來，除極輕核外，其餘核的反應截面隨能量變化的行為大體上都經過1/v規律區(這裡v是中子的速度)、共振區和平滑區，但對於不同的核，出現這些區間的相應能量間隔是有差異的。 1/v規律區 　定性地說，中子穿越原子核區的時間越短，中子被吸收的幾率就越小。這就表現為截面在eV能區隨能量變化的“1/v規律”(截面和1/v成正比)。事實上，對於(n，γ)反應，只要複合核第一激發態離基態足夠遠，對於(n，X)反應，只要是放熱反應而且Q值足夠大、複合核第一激發態離基態足夠遠，截面都將遵從1/v規律。對於少數輕核的(n，X)反應如3He(n，p)、6Li(n，α)、及10B(n，α)等反應的截面直到keV以上能區都遵從1/v規律。

反應截面

中子核反應的全截面概念有其確定意義，而且可以很精確地直接測得。全截面σ 等於各部分截面(簡稱分截面)之和，即σ =σe+σne，其中是彈性散射截面，σe(θ)是θ方向的彈性散射微分截面；σne 表示去彈性散射截面，這也是中子核反應中特有的、可以直接測量的反應截面，它等於除彈性散射截面以外所有分截面之和。這些截面包括相應於中子裂變反應的裂變截面σ f；相應於中子輻射俘獲反應的輻射俘獲截面σr；相應於(n，n)反應的非彈性散射截面；相應於(n，2n)、(n，3n)等(n，xn)反應(x代表 2、3、…)的截面以及相應於產生帶電粒子的(n，X)反應的截面；諸如(n，p)反應截面σ L，(n，α)反應的截面σα等。

共振區　在慢中子甚至中能中子能區，中子核反應截面顯示出獨特的共振現象：截面在一些特定的、相距很近的能量為E 能級處出現極大值，E 為共振能量，相應的能級稱為共振能級。在共振寬度Г 遠小於兩共振能級之間的距離D的能區，只要有合適的測量手段，就可以測量出明顯分離的共振。這個能區稱為可分辨共振區。可分辨區一般在103eV(重核)至105eV(中重核)以下。 對於某些中重核，現代的高分辨、高精度測量技術已把這個能區擴展到1MeV附近。

平滑區　當ГD時，就無法測量出分立的共振了。這時，如果測量系統的能量分辨ΔEГ，截面仍可能表現出漲落，若 ΔE中包含了若干個Г，則漲落消失，截面隨能量緩慢變化。

中子散射

包括彈性散射和非彈性散射。

彈性散射

即X+n→X+n，反應能Q=0。入射粒子和靶核的狀態均不發生變化，因此在中子的任何能量下都可以發生彈性散射。在實驗室坐標系，彈性散射後的出射中子對於中重核及重核來說，主要是方向的變化，能量變化很小；但對於輕核，由於靶核的反衝效應，致使入射中子的動能顯著降低。

彈性散射也稱彈性碰撞，是中子與原子核作用中最簡單的一種形式。無論是輕核還是重核，也不管中子具有何種能量，彈性散射均可發生。彈性散射也是中子通過物質時損失能量的重要形式。

當入射中子與原子核發生彈性碰撞時，中子將一部分能量傳遞給原子核，入射中子能量減低並偏離了原入射方向，繼續與物質相互作用；獲得中子動能的原子核折向另一方向，形成反衝核，反衝核在物質中可產生電離和激發作用（圖3-5）。在這個碰撞過程

中，中子與原子核的總動量及總動能是守恆的，碰撞前的中子動能等於碰撞後的中子和核的動能之和。

根據彈性碰撞原理，當中子與其等質量的粒子作彈性碰撞時，中子損失的能量最大。在所有核素中，僅有氫核（質子）的質量與中子近似相等。因此，中子與一個質子發生彈性碰撞時損失的能量，比中子與其他核素的核碰撞時損失的能量都要大。也可以說，作為反衝核的氫核將獲得較大的動能。但當中子與物質很大的粒子碰撞時所損失的能量就很小。因此，作為減弱中子的防護材料，採用含氫較多的物質或低原子序數構成的材料，就有很好的效果。相反，高原子序數物質的減弱效果卻很差。

非彈性散射

即 X+n→X*+n+Q，Q<0。中子在質心繫的能量超過靶核的第一激發態時，可以發生這個反應。 (n，xn)反應 　中子被核吸收，形成複合核，如果在它發射一個中子以後剩餘的激發能足以再放出1個、2個、……中子，則可以發生(n，2n)、(n，3n)、……反應。這是一個有閾(一般閾能為6～12MeV)的反應。通過這個反應可以得到中子倍增，因而它的有關數據有實際套用意義。

當入射中子與原子核發生非彈性散射時，在碰撞的瞬間，入射中子與原子核作用形成受激複合核，中子損失一部分能量後又從複合核中脫離出來，繼續與物質相互作用，而處於激發態的原子核將會立即放出γ線回到基態（圖3-6）。

非彈性碰撞是指在散射前後，中子和原子核總動能是不守恆的。同時，非彈性散射必須在入射中子能量大於原子核的最低激發能時才能發生。由於大多數重原子核的最低激發能級僅為100keV，因此，快中子在所有重原子核上的散射主要是非彈性散射。