4  Interakce záření s hmotou

Za záření považujeme proud částic, které vznikají při jaderných či atomárních procesech nebo mohou být získány v urychlovačích. Dělíme je na dvě hlavní skupiny:

1. Elektromagnetické záření, které je tvořeno proudem fotonů - kvant elektromagnetického záření. Energie fotonů je rovna E=(^h/_2p) w, kde w je kruhová frekvence záření. Rozlišujeme několik druhů elektromagnetického záření: g-zářením zpravidla nazýváme elektromagnetické záření, vznikající při jaderných procesech a při interakci jaderných částic mezi sebou. Naproti tomu optické a rentgenové záření vzniká při přechodech elektronů v obalu atomu. Fotony s malou energií ((^h/_2p) w < 100 keV) mohou patřit k oběma typům záření, záření s energiemi (^h/_2p) w ł 100 keV je vždy záření gama. Interakce fotonů s okolím je ryze elektromagnetické povahy, samy fotony však nemají elektrický náboj.
2. Korpuskulární záření, představující proud jaderných částic obecně s nenulovou i nulovou klidovou hmotností.⁹ Korpuskulární záření lze rozdělit do dvou skupin:

   1. nabité částice, které nesou kladný nebo záporný elektrický náboj. Patří sem např. e⁺, e^-, p, a, ionizované atomy (tzv. těžké ionty), m^±, t^±, S^- a další elementární částice;
   2. nenabité částice, mezi něž patří především neutron, ale též řada dalších elementárních částic - n_e, n_m, t⁰, S⁰, L⁰, atd.

4.1  Účinný průřez

Výsledek srážky lze popsat pouze pravděpodobnostními metodami. K popisu srážek tedy potřebujeme veličinu, která udává, s jakou pravděpodobností při interakci částic dojde nebo nedojde k jaderné reakci. Proto zavádíme pro danou reakci R (daný typ srážky) veličinu nazvanou účinný průřez dané reakce, kterou označujeme s a která má rozměr [s]= m², tj. rozměr plochy. Pro názornost si je možno v případě bodových dopadajících částic účinný průřez představit jako velikost "efektivní plochy", jíž musí částice projít, aby došlo k interakci s terčíkovou (ostřelovanou) částicí.

Pro pravděpodobnost dané reakce R platí

PR=  sR S ,

(37)

kde s_R je hodnota účinného průřezu dané reakce a S je průřez svazku dopadajících částic.

Při popisu experimentu pracujeme s veličinou makroskopický účinný průřez, což je účinný průřez charakterizující makroskopické rozptylové centrum (terčík), které se skládá z mikroskopických rozptylových center (jader). Jeho hodnota se určí jako součet účinných průřezů těchto mikroskopických center.

Jednotka m² je příliš velká, proto bývá používána jednotka 1 barn, 1b=10^-28 m².

Štěpení těžkých jader v reaktoru je iniciováno neutrony a proto nás zajímá, k jakým procesům může dojít při interakci neutronů s látkou (uranem).

4.2  Neutrony

Neutron je elektricky neutrální elementární částice, která podléhá silné, slabé a gravitační interakci. Je složený z kvarků (jeho struktura je udd), což zapříčiňuje, že i když se jedná o částici bez elektrického náboje, má nenulový magnetický moment. Jde o fermion (spinové kvantové číslo 1/2), klidová hmotnost m_n=1,67482·10^-27 kg. Jako volná částice je neutron nestabilní a má poločas rozpadu T_1/2=(986±10) s. Rozpadá se b^--rozpadem podle schématu

n® p+e-+ - n   e  .

(38)

Vázán v jádře se však neutron stává stabilním; přesněji řečeno dochází ke vzájemným přeměnám neutronů a protonů, mezi těmito přeměnami se ustaví rovnováha, takže počet protonů a neutronů v jádře se zachovává.

Podle kinetické energie dělíme neutrony do několika skupin:

1. Pomalé neutrony

   1. studené, T_n < 0,025 eV
   2. tepelné, T_n Î (0,025;0,5) eV
   3. nadtepelné, T_n Î (0,5;100) eV
2. Rezonanční neutrony, T_n Î (100;500) eV
3. Neutrony středních energií, T_n Î (0,5;500) keV
4. Rychlé neutrony, T_n Î (0,5;20) MeV
5. Velmi rychlé neutrony, T_n Î (20;300) MeV
6. Super rychlé neutrony, T_n > 300 MeV

Volné neutrony se objevují v důsledku jaderných reakcí. Protože vazebná energie neutronů v jádře je řádově MeV, lze očekávat, že počáteční hodnoty energie volných neutronů budou též řádově MeV. Neutrony nemají elektrický náboj, neúčastní se tedy elektromagnetické interakce ani s elektronovým obalem ani s jádrem atomů. Veškeré působení neutronů s atomy se uskutečňuje pouze jadernými silami mezi neutronem a jádrem. Poloměr jádra (10^-14 m) je mnohem menší než poloměr celého atomu (10^-10 m), takže počet srážek neutronů s atomy je mnohem menší než u nabitých částic. Délky volných drah neutronů mezi dvěma srážkami s jádry v pevné látce jsou několik centimetrů, někdy i více než 10 cm.

Dále se ukazuje, že přesto, že mezi neutrony a jádrem působí silné přitažlivé síly, je záchyt neutronu málo pravděpodobný a neutrony se na jádrech pouze rozptylují. Případný záchyt neutronu jádrem je doprovázen emisí částic s vysokou energií: g-kvant, protonů, a-částic a v případě štěpení jader-fragmentů a neutronů.

Příčinou malé pravděpodobnosti záchytu neutronu je to, že proces zachycení neutronu jádrem je jadernou reakcí a probíhá mechanismem složeného jádra. Pro vytvoření složeného jádra však musí být splněny energiové a spinové podmínky a ty jsou splněny pouze v malém počtu případů. Sám fakt vytvoření složeného jádra navíc nezaručuje, že dojde k záchytu neutronu. Neutron může být totiž ze složeného jádra opět emitován. Tento jev nazýváme rezonanční rozptyl. Srážky neutronů s jádry bez vytvoření složeného jádra představují pružný rozptyl, nazývaný potenciálový rozptyl.

Rozptyl neutronů tedy převládá nad záchytem neutronů. Každý neutron do doby, než je zachycen, prodělá mnoho rozptylů a každý rozptyl je spojen s odkloněním na libovolný úhel se stejnou pravděpodobností. Nejdůležitější procesy při interakci neutronu s atomovým jádrem můžeme shrnout takto:
n+AZX® n+AZX - pružný potenciálový rozptyl
n+AZX® A+1ZX*®AZX+n - pružný rezonanční rozptyl
n+AZX® A+1ZX*®AZX*+n - nepružný rozptyl
n+AZX® A+1ZX+g - radiační záchyt
n+AZX® A1Z1Y+ A1Z1Y+nn - štěpení.

Aby neutron mohl být zachycen, musí mít takovou energii, aby energie jádra jakožto celku byla rovna právě některé energiové hladině složeného jádra. Pokud tomu tak nebude, složené jádro prakticky nemůže vzniknout. Energie neutronu rozhoduje o tom, který z procesů nastane. Převládajícím procesem při interakcích rychlých neutronů do 10 MeV jsou pružné a nepružné srážky. Při zvyšování energie neutronů může docházet k reakcím (n,2n) nebo ke štěpení jader, což vede ke snížení podílu pružných srážek. U rychlých neutronů jsou účinné průřezy pro štěpení sudo-sudých jader nenulové, prahy dělení pro neutrony leží okolo 1 MeV. Účinné průřezy štěpících se nuklidů jsou pro rychlé neutrony malé, jako všechny ostatní účinné průřezy reakcí spojených se zachycením.

Pro oblast (0,5-10⁵) eV jsou nejcharakterističtější rezonanční jevy. Účinný průřez pro záchyt vzrůstá.

V oblasti energií pod 0,5 eV probíhají reakce spojené se záchytem neutronu a vytvořením složeného jádra, které pak může prodělat g-rozpad, nebo se rozštěpí.

Poznámky:

⁹Energie záření je dána relativistickým vztahem E=Ö{p²c²+m₀²c⁴} (p je hybnost částice), který pro malé kinetické energie přechází na klasický vztah E=m₀c²+[(p²)/(2m₀)].