Рис. 1.6. Упругое рассеяние нейтронов (схема): а – при соударении под углом; б – при лобовом соударении
Если, например, нейтрон ударяет в ядро легкого водорода (протон), то ввиду малого различия их масс при лобовом ударе вся энергия нейтрона будет передана протону, а нейтрон потеряет свою скорость. При боковых ударах (общие случаи) нейтрон передает протону лишь часть своей энергии.
В среднем потеря энергии нейтрона при одном столкновении с ядром водорода составляет примерно 3/4 первоначальной. Чем тяжелее бомбардируемое ядро, тем меньше потеря энергии при одном соударении. Так, при соударении нейтрона с ядром углерода, который в 12 раз тяжелее нейтрона, среднее значение потери энергии нейтрона равно около 0,15 первоначальной величины. Реакция упругого рассеяния нейтрона на углероде записывается, например, так: 126C (n, n) 126C.
Реакция упругого рассеяния имеет большое практическое значение в процессах замедления нейтронов в ядерных реакторах. Ряд последовательных упругих соударений нейтронов с ядрами атомов вещества-замедлителя приводит к снижению энергии нейтронов до значений, примерно равных кинетической энергии атомов замедлителя. Такие нейтроны называют тепловыми.
Нейтроны с энергией до 1000 эВ (0,001 МэВ) называются медленными, нейтроны с энергией около 0,025 эВ называются тепловыми, с энергией 0,001…0,5 МэВ – промежуточными, с энергией 0,5 МэВ и выше – быстрыми.
Тепловые нейтроны – нейтроны энергий, соответствующих энергии теплового движения атомов.
Нейтрон с энергией около 1 МэВ может вызывать возбуждение ядер тяжелых элементов; в этом случае он может потерять большую часть своей первоначальной энергии. При этом ядро атома, захватывая нейтрон и приобретая избыток энергии, возбуждается, а затем испускает нейтрон с меньшей кинетической энергией, все еще оставаясь в возбужденном состоянии; оставшийся избыток энергии возбужденного ядра испускается в виде излучения, после чего ядро возвращается в свое основное энергетическое состояние. При этом энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» уменьшается на величину энергии излучения.
Рассматриваемая реакция вызывается быстрыми нейтронами и преимущественно при взаимодействии с ядрами тяжелых элементов. Например, при соударении быстрого нейтрона с ядром урана потеря энергии нейтроном составляет 0,1…0,2 первоначальной энергии, в то время как при упругом соударении этих частиц средняя потеря энергии нейтрона ввиду большого отношения масс составляет около 0,01 первоначальной энергии. Реакция идет параллельно, например, с упругим рассеянием при взаимодействии нейтрона с протоном. Часть соударений приводит к захвату нейтрона протоном с образованием ядра тяжелого водорода-дейтрона; масса этого ядра меньше, чем сумма масс протона и нейтрона на 0,00234 а.е.м. (дефект массы), что соответствует энергии 2,2 МэВ, которую выделяет ядро.
Ядерные реакции с захватом нейтрона ведут