Захоплення нейтронів

Захо́плення нейтро́нів (нейтро́нне захо́плення) — вид ядерної реакції, у якій ядро атома з'єднується з нейтроном й утворюється важче ядро: (A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

Нейтрон може наблизитися до ядра навіть маючи кінетичну енергію, близьку до нуля, оскільки він електрично нейтральний і на нього не діють сили електричного відштовхування (на відміну від позитивно зарядженого протона, який спочатку має подолати високий потенційний бар'єр, для чого потрібна велика кінетична енергія).

Дочірнє ядро

У результаті реакції захоплення нейтрона утворюється важчий ізотоп того ж елемента, як правило, у збудженому стані. Збудження зазвичай знімається випромінюванням одного або кількох гамма-квантів з переходом ядра до основного стану; у важких ядер можливий поділ. Утворене в результаті нейтронного захоплення ядро ​​може бути як стабільним, так і радіоактивним. Наведена радіоактивність внаслідок нейтронного опромінення (зокрема, в ядерних реакторах) є значним джерелом радіоактивних відходів.

Перетин захоплення нейтронів ізотопами ¹⁵⁷Gd та ¹⁰B залежно від енергії нейтрона

Перетин захоплення

Типові перетини захоплення теплового нейтрона ядрами становлять близько 1 барна (що близько до геометричного поперечного перерізу ядра), однак для деяких нуклідів спостерігаються відхилення на кілька порядків як у бік збільшення, так і зменшення перетину захоплення. Наприклад, для ядра бору ¹⁰B перетин захоплення теплових нейтронів становить 3840 барн, а найбільший переріз захоплення теплових нейтронів — сотні тисяч барн — має ізотоп гадолінію ¹⁵⁷Gd. Перетин захоплення швидких нейтронів значно менший; зі зростанням енергії нейтрона перетин зменшується обернено пропорційно його швидкості. Однак досить часто трапляється, що для певних енергій нейтрона переріз захоплення нейтрона ядром має різко виражений максимум.

Застосування

Внаслідок захоплення нейтрона ядрами урану-235 утворюється короткоживуче ядро урану-236, яке розпадається на дві частини:

$_{92}^{235}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{236}{\text{U}}\,\rightarrow \,_{52}^{137}{\text{Te}}+\,_{40}^{97}{\text{Zr}}+2n$

$_{92}^{235}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{236}{\text{U}}\,\rightarrow \,_{36}^{91}{\text{Kr}}+\,_{56}^{142}{\text{Ba}}+3n$

У результаті таких реакцій вивільняються додаткові нейтрони з енергією від нуля до 7 МеВ (здебільшого утворюються нейтрони з енергією в діапазоні 10⁵–10⁷ еВ), які можуть призводити до поділу інших ядер. Таким чином реакція може набувати ланцюгового характеру, що застосовується в ядерних реакторах та ядерній зброї.

Однак природний уран містить невелику частку ізотопу-235 (близько 0,7%), а основну його частину складає ізотоп-238. Для поділу ядер урану-238 потрібні нейтрони з енергією не менше 1,8 МеВ. Нейтрони з енергією менше 1 МеВ поглинаються ядрами не викликаючи їх поділу. Утворене ядро урану-239 зазвичай зазнає двох бета-розпадів та перетворюється на плутоній-239:

$_{92}^{238}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{239}{\text{U}}\,{\xrightarrow[{T_{\frac {1}{2}}\approx 23\ {\text{хв}}}]{\,}}\,_{93}^{239}{\text{Np}}+e^{-}+{\tilde {\nu }}$

$_{93}^{239}{\text{Np}}\ {\xrightarrow[{T_{\frac {1}{2}}\approx \ 2{,}3\ {\text{дні}}}]{\,}}\,_{94}^{239}{\text{Pu}}+e^{-}+{\tilde {\nu }}$

Утворений ізотоп плутонію-239 подібно до урану-235 також поділяється як повільними, так і швидкими нейтронами, а тому використовується в ядерних технологіях аналогічно урану.

Захоплення нейтронів застосовується в нейтронно-активаційному аналізі: досліджувана речовина опромінюється нейтронами, після чого визначається кількість радіоактивних ядер, які утворилися в результаті захоплення, що дає інформацію про склад речовини^{[джерело?]}. Перспективним методом лікування онкологічних захворювань є доставка в пухлину стабільних ізотопів з великим перетином захоплення нейтрона (¹⁰B, ¹⁵⁷Gd), які після опромінення тепловими нейтронами перетворюються на радіоактивні ізотопи й руйнують клітини.

Нуклеосинтез

Первинний нуклеосинтез

Протягом перших декількох хвилин після Великого вибуху всі нейтрони, що утворилися в результаті баріогенезису, були або захоплені протонами (з утворенням дейтронів), або розпалися. Вимірювання поширеності легких ядер (дейтерію, гелію, літію) дозволяють досліджувати цей період раннього Всесвіту.

Зоряний нуклеосинтез

Нейтронне захоплення важливе для нуклеосинтезу елементів у зорях. Початковим елементом зазвичай є ізотоп заліза ⁵⁶Fe. Виділяють 2 види процесів: повільний s-процес, коли утворене радіоактивне ядро встигає розпастися, перш ніж буде захоплено наступний нейтрон, і швидкий r-процес, коли утворені внаслідок захоплення нестабільні ядра встигають до розпаду захопити наступний нейтрон. Умови перебігу таких реакцій вивчає астрофізика.

• s-процес, або повільний процес захоплення нейтронів, — процес утворення важчих ядер із легших шляхом послідовного захоплення нейтронів під час якого нестабільні ядра розпадаються перш ніж приєднається наступний нейтрон. Характерний час перебігу s-процесів набагато більший періоду β-розпаду, тому до них залучаються або стабільні ядра, або радіоактивні ядра, які мають дуже великі періоди напіврозпаду.

• r-процес, або швидкий процес захоплення нейтронів, — процес утворення важчих ядер із легших шляхом послідовного захоплення нейтронів в ході реакцій. Захоплення нейтронів триває доти, доки темп захоплення нейтронів вищий, ніж темп розпаду ізотопу. Потім ядро зазнає β-розпаду, утворюється ядро наступного елемента й захоплення нейтронів триває далі^{[джерело?]}.

Див. також

• p-процес — ядерні реакції захоплення протонів важким ядром.
• Нейтронний гамма-каротаж