【文章內(nèi)容簡介】 作用機理 作用分類 反應截面 1. 作用機理 中子與原子核的相互作用過程有三種： 勢散射 、 直接相互作用 和 復合核的形成 。 （ 1） 勢散射 最簡單的核反應，中子波和核表面勢相互作用，中子并未進入靶核，而是將其自身的部分或全部動能傳給靶核，成為靶核的動能。 勢散射時入射中子改變運動方向和能量，勢散射前后靶核的內(nèi)能沒有變化，中子與靶核系統(tǒng)的動能和動量守恒，所以勢散射是一種彈性散射。 （ 2） 直接相互作用 入射中子直接與靶核內(nèi)的某個核子碰撞，使該核子從核里發(fā)射出來，而中子卻留在核內(nèi)。 中子要發(fā)生直接相互作用，必須要具有較高的能量，一般這種作用方式是不重要的。 （ 3） 復合核的形成 入射中子被靶核 吸收形成一個新核 —— 復合核 ，復合核的形成是中子與原子核發(fā)生作用的最重要形式。 XAZ XAZ1?中子和靶核在質(zhì)心坐標系的總動能 EC和中子的結(jié)合能 B構(gòu)成 復合核的激發(fā)能 EX ，處于激發(fā)態(tài)的復合核有幾種衰變或分 解方式： （ n， p）反應 （ n， α）反應 （ n， n）反應 （ n， n′）反應 （ n， γ）反應 （ n， f）反應 圖 10. 復合核的形成和衰變 共振現(xiàn)象 當入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的復合核激發(fā)態(tài)接近一個量子能級時，形成復合核的幾率（截面）就顯著地增大，這種現(xiàn)象就叫 共振現(xiàn)象 。 由實驗室坐標系的動能 EL和質(zhì)心坐標系的動能 EC關(guān)系式： 可知，當 EC值等于復合核的一個量子能級與結(jié)合能 B之差時，中子反應截面會出現(xiàn)一個峰值，此 EC值對應的 EL即為發(fā)生共振時中子的動能。 CAnAL EMmME ??2. 作用分類 由上節(jié)的機理分析，我們可把中子與原子核的相互作用分為兩大類： 散射 ：有彈性散射和非彈性散射 吸收 ：包括輻射俘獲、核裂變、（ n， α）、（ n， p）反應等。 中子的散射 1） 非彈性散射 入射中子的一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说膬?nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后靶核通過發(fā)生 γ射線又返回到基態(tài)，因此散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動量守恒，但動能不守恒。 入射中子的能量必須高于某一數(shù)值才能發(fā)生，具有 閾能的特點，這種作用形式在快中子堆中比較常見。 nXXnX AZA ZAZ 10**110 )()( ???? ?2） 彈性散射 彈性散射可分為 共振彈性散射 和 勢散射 ，前者經(jīng)過復合核的形成過程而后者不經(jīng)過； 彈性散射過程中，靶核內(nèi)能沒有變化，散射前后中子 —— 靶核系統(tǒng)的動能和動量是守恒的； 在熱中子反應堆中，中子從高能慢化到低能起主要作用的是彈性散射。 nXnXnXXnXAZAZAZAZAZ101010*110 )(??????? ? 中子的吸收 中子吸收反應的重要特點是中子消失，是反應堆中影響中子平衡的重要因素。 1） 輻射俘獲（ n， γ） 發(fā)生在中子的所有能區(qū)，但低能中子與中等質(zhì)量核、重核作用易于發(fā)生這種反應，此反應往往伴隨較高的放射性。 ?????????? ?? XXnX A ZA ZAZ 1*110 )( 2） （ n， α）、（ n， p）等反應 （ n， α）反應 此類反應的代表 （ n， α）反應 此類反應的代表 HeYXnX AZA ZAZ 4232*110 )( ?????????? ???HeLinB 427310105 ?????HYXnX AZA ZAZ 111*110 )( ?????????? ??HNnO 1116710168 ?????? 3） 核裂變 反應堆內(nèi)最重要的核反應， 233U、 235U、 239Pu和 241Pu在各種能量中子作用下均能發(fā)生裂變，且低能中子作用下裂變可能性較大，稱為 易裂變同位素 ，而 232Th、 238U、 240Pu等 只有在中子能量高于某一閾值時才能發(fā)生裂變，稱作 可裂變同位素 。 常見的核裂變反應： 每次裂變釋放出約 200MeV的能量。 nXXUnU AZAZ 10*236921023592 2211)( ????????????3. 反應截面 中子與原子核發(fā)生反應的截面與入射中子的能量和靶核的性質(zhì)有關(guān)，對于大多數(shù)元素，核反應截面隨中子能量 E變化的特性大體上存在著三個區(qū)域： 1） 低能區(qū) （ E1eV） 在該區(qū)吸收截面隨 E的減小而逐漸增大，即與中子的速度成反比，因此這個區(qū)域也叫 1/v區(qū) 。 2） 中能區(qū) （ 1eVE103eV） 這個區(qū)域內(nèi)許多重元素核的截面出現(xiàn)許多共振峰，因而此區(qū)域也叫 共振區(qū) 。 3） 快中子區(qū) （ E10KeV） 此處的中子反應截面通常都較小，多說情況下小于 10bar，而且截面隨能量的變化變得比較平滑了。 第二章 射線與物質(zhì)的相互作用 第一節(jié) 引言 ? 學習本章的意義 ? α、 β等帶電粒子和物質(zhì)的相互作用 ? γ射線和 x射線等不帶電的粒子與物質(zhì)的相互作用 ? 射線與物質(zhì)的相互作用指的是與物質(zhì)當中的原子發(fā)生作用，即與原子核和核外電子發(fā)生的作用 ? 射線與物質(zhì)相互作用的過程，經(jīng)典力學將其描述為一個碰撞過程 彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動能之和相等 非彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動能之和不相等 射線與物質(zhì)的相互作用主要分為四類： 1. 射線與核外電子的非彈性碰撞：電離 、 激發(fā) 電離： ? 入射的粒子將一部分能量通過庫侖力傳遞給了靶原子核外的電子。核外電子獲得能量足以克服原子核對它的束縛而變成自由電子時，靶物質(zhì)的原子就變成了一個失去電子的正離子，即靶物質(zhì)中的原子分離成了一個自由電子和一個正離子。 ? 如果發(fā)射出來的自由電子具有足夠的動能，還可能與其它的靶原子核繼續(xù)發(fā)生碰撞電離。 ? 原子的最外層電子受原子核的束縛最弱，容易被電離。 ? 如果原子的內(nèi)殼層電子 (像 K層、 L層電子 )被電離，便會在該殼層上留下空穴 ,外層的高能級電子就要向內(nèi)層的空穴躍遷 .多余的能量就會以特征 x射線或者俄歇電子的形式發(fā)射出來。 激發(fā) : ? 如果入射粒子傳遞給靶原子核外電子的能量還比較小，不足以使其電離，但仍然可以使其從低能級狀態(tài)向高能級狀態(tài)躍遷，其結(jié)果是使靶原子處于激發(fā)狀態(tài)。 ? 處于激發(fā)狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一定要發(fā)生退激而回到基態(tài)。退激時釋放出來的能量以光的形式發(fā)射 (這就是受激原子的發(fā)光 )。這與原子核處于激發(fā)態(tài)，退激時發(fā)出 γ 射線的本質(zhì)不同。 入射粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞 ， 導致靶物質(zhì)中的原子電離和激發(fā) ， 是射線穿過物質(zhì)時損失能量的主要方式 ， 稱之為電離損失 . 2.射線與核外電子的彈性碰撞： 散射 當入射粒子的能量較低時 ， 入射粒子與靶原子核外電子發(fā)生彈性碰撞 ， 入射粒子改變其運動方向 ， 核外電子的能量狀態(tài)沒有什么變化 。 通常把這種現(xiàn)象稱之為散射 。 3.射線與原子核的非彈性碰撞： 軔致輻射 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時，受到靶原子核的吸引或者排斥，入射粒子運動的速度和方向發(fā)生改變。隨著入射粒子能量的減弱，有一部分動能轉(zhuǎn)化成能量連續(xù)的電磁輻射 — 軔致輻射。入射粒子與原子核的這種相互作用叫做非彈性碰撞。 4.射線與原子核的彈性碰撞：吸收 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時，改變了運動的速度和方向。碰撞后入射粒子將動能的絕大部分帶走。損失的能量并不產(chǎn)生電子，也不使核激發(fā)，而是傳遞給靶原子核，使其反沖。帶走大部分動能的入射粒子可在靶物質(zhì)中繼續(xù)進行多次彈性碰撞，最后被阻止在靶物質(zhì)中。 第二節(jié) 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 ? 重帶電粒子：比電子質(zhì)量大的多的荷電粒子 (α 粒子、質(zhì)子、氘核 ). ? 主要與物質(zhì)中靶原子核中的核外電子發(fā)生非彈性碰撞 (使得原子發(fā)生電離或者激發(fā) )。與原子核發(fā)生彈性碰撞的幾率很小 。 ? 快速帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞損失的能量要比與靶原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞所損失的能量小三個量級。只是在入射的帶電粒子的能量很低時，才需要考慮由它與靶原子核的彈性碰撞引起的能量損失。 ? 碰撞后入射粒子的運動方向幾乎保持不變。重的帶電粒子在物質(zhì)中的運動徑跡近似直線。 ? 重帶電粒子的能量損失： ? 入射粒子的一部分能量轉(zhuǎn)移給核外電子，導致靶物質(zhì)原子電離或者激發(fā)?？焖偃肷淞Ｗ愚D(zhuǎn)移給核外電子的能量要比核外殼層電子的結(jié)合能大的多。把核外電子看成是靶物質(zhì)中的一個 “ 自由電子 ” 。入射帶電粒子與靶物質(zhì)核外電子之間的作用可以看成是彈性碰撞。和快速入射粒子的運動相比，可以把靶原子中作軌道運動的電子，在碰撞前看成是處于 “ 靜止 ” 狀態(tài)。 1 222402024 ln mvd E z e N Zd x m v I? ?????? ?????? ??1).能量損失率與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，而只與它的速度有關(guān)。 2).能量損失率與入射粒子的電荷數(shù)平方成正比。 3).能量損失率與靶物質(zhì)的 NZ成正比。密度越大，原子序數(shù)越高的物質(zhì)，對入射粒子的阻止本領越大。 在中能區(qū)（ — 20MeV），入射粒子能量的電離損失隨入射粒子能量的增加而減??；在低于 500I的能量處，曲線有一最大值；在高能區(qū)（ 20MeV, 入射粒子的速度接近于光速 c），電離能量損失率隨入射粒子能量的增加而緩慢上升，在小于 3mc2附近的能量處有一寬的極小值。 ? 帶電粒子在物質(zhì)中運動時，不斷損失能量。待能量耗盡時，便停留在物質(zhì) 中。 ? 入射粒子沿原來運動方向，從入射點到它終止點（速度等于 0）之間的直線距離，即入射粒子沿入射方向穿透物質(zhì)的深度，是路程在入射方向上的投影， 稱之為入射粒子在該物質(zhì)中的射程，以 R表示。 ? 路程是指入射粒子在吸收體中所經(jīng)過的實際軌跡的長度。路程大于或者等于射程。 ? 1).入射粒子在吸收物質(zhì)中的射程 R與其質(zhì)量 m及能量 E有關(guān)。入射粒子質(zhì)量越小，能量約大，速度越大，射程越長 ? 2).射程 R和吸收物質(zhì)的電子密度 NZ成反比。 ??粒子在空氣中的射程： ? 重帶電粒子在其它物質(zhì)中的射程： 00 0ARR A???? ?03022 04Vmm d vRz e N Z B????? ?? ? 3 20 .3 1 8R c m E ??? ?粒子在某物質(zhì)中的射程為： ? 如果吸收物質(zhì)為化合物或混合物， 4 03 .2 1 0 ARR??? ? ?1 1 2 2 iiA W A W A W A? ? ?第三節(jié) 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)的相互作用主要有三種方式： ? 1).低能電子與物質(zhì)的相互作用 電離損失； ? 2).高能電子與物質(zhì)相互作用時 ， 與靶物質(zhì)原子核發(fā)生非彈性碰撞 ， 產(chǎn)生軔致輻射損失能量； ? 3).入射電子和吸收物質(zhì)原子核的彈性碰撞將會使入射粒子改變運動的方向 — 發(fā)生散射 。 多次散射使電子在物質(zhì)中的運