5 射线与物质的相互作用(中子)

h t

1
复合核的激发态的寿命与能级宽度成反比
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复合核的衰变几率



单位时间内处于激发态的复合核的某种衰 变方式的几率，可以用该过程的能级分宽 度来表示。 例： Γγ叫做辐射宽度：单位时间内复合核发射 射线而衰变的几率； Γn叫做中子宽度：单位时间内复合核散射 出中子而衰变的几率； 总衰变几率是所有可能衰变方式的几率的 总和：
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在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内 能没有变化，它仍保持在基态，散射前后 中子——靶核系统的动能和动量守恒，可 以把这一过程看作“弹性球”式的碰撞， 对此种过程，可根据动能和动量守恒，用 经典的方法来处理
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弹性散射 (n,n)
出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核
分析技术中有重要的应用
当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的 “活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的
注量率区分中子的能量范围
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(2)发射带电粒子的中子核反应(n, α)(n,p)等反应
A Z 1 1 A 3 4 X 0 n ( A X ) X Z Z 2 2 He
子一部分动能转变为原子核的激发能，激发核退激时会发射γ光
子。
I.
为使原子核达到激发态，中子能量必须高于原子核的第一激发 态能量，所以发生非弹性碰撞要求中子能量大于阈值
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结论2
II.
对不同原子核，阈值大体在0.1-5MeV之间，原子序数高的重原子核阈值低，
这种非弹性碰撞的几率随入射中子能量增大而增大。所以高原子序数的重物 质对高能中子的慢化非常有效
激发态，然后靶核通过发射γ射线又反射回到 基态。散射前后中子与靶核系统的动量守恒， 但动能不守恒
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非弹性碰撞

非弹性碰撞的特点——

只有入射中子的动能高于靶核的第一激发 态的能量时才能使靶核激发，即只有入射 中子的能量高于某一数值时才能发生非弹 性散射，非弹性散射具有阈能的特点
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３）中子俘获
中子俘获——慢中子被物质原子核俘获后， 形成稳定或不稳定的新核素的现象 常被用来生产人工放射性核素
中子俘获包括(n, γ),(n,f),(n, α)(n,p)四种类型反 应
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（1）辐射俘获 (n, γ)反应
A Z 1 1 A1 X 0 n ( A X ) Z Z X
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共振现象


当入射中子的能量具有某些特定值，恰好 使形成的复合核激发态接近于一个量子能 级时，那么形成复合核的几率就显著地增 大。 共振吸收对反应堆内的物理过程有着很大 的影响。
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复合核寿命


能级宽度Γ的定义为： h 电子伏 复合核的能级宽度为Γ的激发态，其平均 寿命便等于：
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中子与物质的相互作用
在反应堆物理分析中通常按中子能量把它 们分为： 快中子（0.1 MeV以上）； 超热中子或中能中子（1 eV到0.1 MeV）； 热中子（1 eV以下 ）。 中子与原子核的相互作用过程有三种：势 散射、直接相互作用和复合核的形成。


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中子水平，最后被吸收
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结论3
③ 热中子可以较容易地被任何原子核吸收。其过程是中 子与原子核形成处于激发态的核，该核退激时会发射
光子，这个过程叫做中子的辐射俘获。

除少数核素(如Li等)外，这种热中子的俘获总伴随发射γ射线， 称为俘获辐射。吸收作用使中子不复存在，中子被吸收的主
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2) 非弹性碰撞 ( inelastic collision) 概念——
快中子冲入物质原子核内，把部分能量传给原子核，使 核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发
态核从中子得到能量以光子的形式释出，原子核回到基 态，这种现象称为非弹性碰撞
A Z 1 A 1 X 01n ( A X ) ( X ) Z Z 0n
电离
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重水(2D2O)
2） 中子核反应
例如( n,p)反应 n +
14N
n
14N
→
14C
+ p
第一步 核反应产生质子
1 p 电离
14C
第二步 质子对物质产生 电离作用
2
• 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重
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C. 穿透力强
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中子与各种质量数的核发生核反应的特性
热中子 0～1eV
轻核 A<30 中等核 30≤A≤90
超热中子 1eV～0.1MeV
(n,n) (n,p) (n,n) (n,γ)”
快中子 0.1MeV～ 10MeV
(n,n) (n,p) (n,α)
(n,n)
(n,n) (n,γ)
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（三）中子在物质中减弱过程结论
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结论1
①

快中子在物质中减弱包括两个过程：
快中子的慢化；慢中子的吸收。
②
快中子慢化的相互作用过程是中子与原子核的弹性碰撞和非
弹性碰撞
非弹性碰撞——能量在几个MeV以上快中子主要通过与高原子
序数的原子核发生非弹性碰撞降低能量。非弹性碰撞时入射中
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(4) 多粒子发射
如(n，2n)，(n，np)等，这些反应的阈能 较高，在8～10MeV以上，只有特快中子才
能发生
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（二）作用特点
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A. 中子不与原子核外层电子发生作用
弹性散射：运动方向改变 非弹性散射：中子的一部分能量使核 激发、产生γ光子
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直接相互作用
入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞， 使某个核子从核里发射出来，而中子却留 在核内，如果从靶核里发射出来的核子是 质子，这就是直接相互作用（n，p）反应。 如果从靶核里发射出来的核子是中子，而 靶核发射γ射线，同时由激发态返回基态， 这就是直接非弹性散射过程。

10MeV左右的快中子只要与铁原子核发生很少次非弹性碰撞，就能把能量降 到1MeV左右
b.

能量低于1-2MeV的快中子慢化主要通过与轻原子核的弹性碰撞
中子与氢的弹性碰撞几率最大，而且每一次碰撞中转移给反冲质子的能量也
最多，所以氢是能量在1-2MeV以下快中子的最好的慢化剂

由于弹性碰撞截面随中子能量降低而增大，所以在含氢多的材料中，中子经 受一次碰撞后，再次受到碰撞的几率增大，结果导致中子能量很快降低到热
2Baidu Nhomakorabea09/9/21
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复合核的形成
（1）复合核的形成： A1 A 中子+靶核[Z X ]复合核*[Z X ] （2）复合核的分解： A1 复合核[ Z X ]反冲核+散射粒子
*号表示复合核处于激发态
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激发态的复合核衰变或分解





（n,p）：复合核放出一个质子而衰变 ； （n,α）：复合核放出一个α粒子而衰变； 共振弹性散射或称为复合弹性散射（n,n）： 复合核放出一个中子，余核回到基态； 共振非弹性散射或者称为复合非弹性散射（n,n）： 复合核放出一个中子，余核处于激发态，再放出γ光 子回到基态； 辐射俘获 （n, γ）：复合核通过发射俘获γ射线而 衰变 核裂变（n,f）：复合核还可以通过分裂成两个较轻 的核的方式而衰变
(n,n) (n,n) (n,p) (n,α)*
(n,n) (n,n’) (n,p) (n,γ)
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重核 A>90
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(n,γ) (n,n)*
(n,n) (n,γ)"
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势散射

它是中子波和核表面势相互作用的结果。 此情况下的中子并未进入靶核。任何能量 的中子都有可能引起这种反应。
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势散射作用的特点：



散射前后靶核的内能没有变化。 入射中子把它的一部分或全部动能传 给靶核，成为靶核的动能。 势散射时，中子改变了运动的方向和能量。 势散射前后中子与靶核系统的动能和动量 守恒。

A Z
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X
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非弹性散射 (n,n’)
入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲， 且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核 退激时放出一个或几个特征光子，在核
分析技术中有重要的应用。
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非弹性碰撞

过程的守恒——

非弹性碰撞中，入射中子的一部分（通常为绝 大部分）动能转变成靶核的内能，使靶核处于
n
I
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1) 弹性碰撞
(elastic collision)
中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子 核，带有能量的原子核脱出原子，此原子核称反
冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继 续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电 荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物 质电离和激发
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B、中子不带电不能直接使原子 电离但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应
1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H → n + p
n
n
H
第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离
n p
慢化剂:轻水(1H2O)
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要反应是辐射俘获反应，即（n、γ）反应
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结论4
④ 散射和吸收都使原子核发生某种变化，常伴随着有次 级带电粒子或γ射线的发射 因此，中子的屏蔽一般较为复杂，除考虑减弱过程 和吸收过程外，还应考虑γ射线的屏蔽
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核反应堆内中子与物质的作用


在反应堆内，中子的能量在0到17兆电子伏范围 内 堆内所采用的材料及裂变产物的原子核的质量数 分布在从A=1到A=242以上的范围内
10 5
16 8
B n Li He
1 0 7 3 4 2
1 0 16 7 1 1
O n N H
(n,)，(n,p)等反应在中子探测中应用很多，
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成为探测中子的主要手段
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(3) 核裂变
235 92 A1 A2 1 U 01n ( 236 U ) X Y 92 0n Z1 Z2
238 92
1 U 0 n239 92 U
239 92
U

23 min
239 93
Np 239 94 Pu
2.3 d

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中子的辐射俘获 (n,)
中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发
射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特征 光子不同于 (n,n’) 的特征 光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命 相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核
中子与物质的相互作用
王德忠 教授 核科学与工程学院
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中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用实质上是中子与 物质的靶核的相互作用： • 表现为两个粒子的碰撞 • 中子波与核的相互作用 中子波长：
E为中子能量
2.86 10 11 E
米
注：除非对于能量非常低的中子外，在讨论中子 的运动时，把它看成为一个粒子来描述是适当的