Física de neutrones

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La física de neutrones  es una rama de la física de partículas elementales que se ocupa del estudio de los neutrones , sus propiedades y estructura ( tiempo de vida , momento magnético , etc.), los métodos de producción, así como las posibilidades de utilizarlos con fines aplicados y de investigación.

Física

Neutrones

La falta de carga eléctrica de los neutrones da como resultado que interactúen principalmente directamente con los núcleos atómicos , ya sea causando reacciones nucleares o siendo dispersados ​​por los núcleos. La característica y la intensidad de la interacción neutrón-núcleo ( secciones transversales de neutrones ) dependen esencialmente de la energía de los neutrones. La física de neutrones utiliza principalmente neutrones con energías de 10 7 a 10 −7 eV (longitudes de onda de De Broglie de 10 −12 a 10 −5 cm). De acuerdo con este rango de energías y longitudes de onda, desde objetos con tamaños de 10 a 12 cm y energías de excitación características de 106 a 107 eV ( del núcleo atómico) a objetos con dimensiones de  10 a 4 cm visibles en un microscopio óptico (por ejemplo, macromoléculas de biopolímeros) se investigan .

La radiación de neutrones se divide condicionalmente en rangos de energía que difieren en los métodos de obtención y detección de neutrones, así como en las direcciones de su uso:

neutrones Energía Ε , eV Velocidad v , cm/s Casarse longitud de onda λ, cm Temperatura media Τ cf , K
Rápido > 10 5 > 1.4⋅10 9 < 10 −12 10 10
Lento
intermedio 10 4 -10 3 1.4⋅10 8 3⋅10 −11 10 8
resonante 0,5−10 4 1.4⋅10 7 3⋅10 −10 10 6
Térmico 0.5−5⋅10−3 _ 2⋅10 5 2⋅10−8 _ 300
Frío 5⋅10 −3 −10 −7 4.4⋅10 4 9⋅10−8 _ diez
Ultrafrío 10 −7 4.4⋅10 2 9⋅10−6 _ 10 −3

Los neutrones con energía cinética E > 100 keV se denominan rápidos. Son capaces de experimentar dispersión inelástica en los núcleos e inducir reacciones nucleares endotérmicas , como ( n , α ), ( n , 2n ), ( n , pn ). Las secciones transversales de estas reacciones dependen relativamente poco de E (por encima de su umbral de energía característico), y su estudio permite estudiar el mecanismo de distribución de la energía de excitación entre los nucleones que forman el núcleo.

Los neutrones con energías E < 100 keV a menudo se denominan neutrones lentos y, a su vez, se dividen en resonantes e intermedios. La mayoría de los neutrones lentos se dispersan elásticamente en los núcleos o provocan reacciones nucleares exotérmicas, en particular la captura radiativa ( n , γ), reacciones como ( n , p), (n, α) y la fisión nuclear . Reacciones 3 He( n , p ) 3 H; 10 B(n, α) 7 Li se utilizan para detectar neutrones; el segundo de ellos es también para la protección contra la radiación de neutrones.

El nombre de "neutrones resonantes" se debe a la presencia de máximos resonantes (resonancias de neutrones) en la dependencia energética de la sección eficaz σ( E ) de la interacción de los neutrones con la materia. Las investigaciones con neutrones resonantes permiten estudiar el espectro de excitación de los núcleos. En la región de energía de los neutrones intermedios, la estructura resonante de los neutrones de sección transversal se suaviza debido a la superposición de resonancias adyacentes. La sección transversal de cualquier reacción nuclear causada por neutrones suficientemente lentos es inversamente proporcional a su velocidad. Esta relación se llama la "ley 1/ v ". Se observa una desviación de esta ley cuando E se vuelve comparable con la energía del primer nivel resonante.

Conseguir

Prácticamente en todos los estudios de física de neutrones se utilizan haces de neutrones monoenergéticos con un grado de monocromatización de ~ 10−2 . Se producen haces intensos de neutrones rápidos en los aceleradores de partículas cargadas en las reacciones nucleares ( p , n ) y ( d , pn ). La energía del neutrón E cambia a medida que varía la energía de las partículas cargadas primarias que inciden sobre el objetivo.

Los neutrones lentos también se pueden obtener en todos los tipos de aceleradores, incluso en los aceleradores de electrones como resultado de reacciones (γ, n) cuando los objetivos en elementos pesados ​​se irradian con γ-quanta de bremsstrahlung de electrones. Los neutrones rápidos resultantes pueden ralentizarse. Por lo general, las sustancias que contienen hidrógeno (agua, parafina y otras) se usan para esto, en las que los neutrones pierden su energía y se dispersan en los núcleos de hidrógeno. Sin embargo, después de desacelerar, los neutrones no son monoenergéticos.

Para obtener neutrones monoenergéticos , se utiliza el método del tiempo de vuelo , que requiere fuentes de neutrones pulsados. En cada momento de tiempo t después del pulso de neutrones, los neutrones llegan al detector a una distancia L de la fuente con una energía determinada por la relación

donde la energía está en electronvoltios , la distancia está en metros y el tiempo está en microsegundos.

Potentes fuentes de neutrones térmicos: los reactores nucleares crean flujos de neutrones térmicos dentro de los moderadores hasta 10 15 neutrones / (cm 2 s). Los neutrones térmicos monoenergéticos se producen en monocristales. Para obtener neutrones fríos se utilizan moderadores enfriados a la temperatura del nitrógeno líquido e incluso del hidrógeno líquido (20 K). Los neutrones ultrafríos se extraen del moderador mediante guías de neutrones de vacío muy curvadas .

Investigación

La energía de los neutrones térmicos es comparable a la energía de las vibraciones térmicas de los átomos en un sólido, y λ n  es comparable a la distancia interatómica. Cuando los neutrones térmicos atraviesan la materia, pueden cambiar significativamente su energía, adquiriéndola o cediéndola a vibraciones térmicas de átomos o moléculas. La magnitud de tales cambios se puede utilizar para obtener el espectro de fonones de una sustancia. Cuando los neutrones térmicos son dispersados ​​por monocristales, se produce la difracción de neutrones.

Estudios individuales

Los neutrones fríos se utilizan para estudiar los movimientos de difusión lentos de átomos y moléculas en diversos medios, así como para estudiar macromoléculas de proteínas, polímeros, microdefectos y microinhomogeneidades en soluciones y aleaciones.

Los neutrones ultrafríos se reflejan completamente en la mayoría de los materiales debido a una especie de "repulsión" de su sustancia. Este fenómeno es similar a la reflexión interna total de la luz en el límite de dos medios y puede describirse mediante el índice de refracción imaginario de la radiación de neutrones con una longitud de onda λ n > 500 Å. Debido a esto, los neutrones ultrafríos pueden acumularse y almacenarse durante mucho tiempo (cientos de segundos) en recipientes cerrados.

La presencia de un momento dipolar magnético en los neutrones provoca la dispersión magnética de un neutrón por los electrones atómicos, lo que permite estudiar la estructura y la dinámica de los materiales magnéticos.

El objeto del estudio de la física de neutrones son también las propiedades del propio neutrón como partícula elemental. De gran importancia para la física de la interacción débil es la medición precisa del tiempo de vida del neutrón [1] . Muchas extensiones del modelo estándar predicen que el neutrón tiene un momento dipolar eléctrico distinto de cero , así como la existencia de oscilaciones neutrón-antineutrón .

Significado

Los resultados de la investigación de la física de neutrones son de particular importancia práctica en relación con los problemas de obtención de energía nuclear, ya que los neutrones desempeñan el papel principal en el proceso de fisión nuclear y fusión termonuclear.

Literatura

Enlaces

  1. ↑ Las mediciones de la vida útil de los neutrones realizadas por diferentes métodos aún divergen. . "Elementos". Noticias de ciencia. Física. (3 de diciembre de 2013). Fecha de acceso: 10 de diciembre de 2013. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2013.

Véase también

 Secciones de física nuclear