Взаимодействие нейтронов с веществом

У нейтронов нет электрического заряда, и они никак не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Важную роль во взаимодействии нейтронов с веществом играют ядерные реакции. При ядерных реакциях в ядро попадает одна частица, а вылетает другая или несколько частиц, и исходное ядро превращается в другое или несколько других. Простую ядерную реакцию можно записать в виде схемы

,

(2.8)

где – исходное ядро, а – взаимодействующая частица или фотон; – конечное ядро, а – вылетающая частица или квант; Q – энергия продуктов реакции. В ядерных реакциях выполняются законы сохранения массы и заряда:

Удобнее всего ядерные реакции классифицировать по типам вызывающих ядерную реакцию частиц и рождающихся частиц, а обозначать в сокращенном виде: (a,n), (n,a), (p,n), (n,2n), (g,n), (n,g), (n,f) (f обозначает деление ядра) и т.д.

Передача энергии нейтронов биологической ткани происходит, главным образом, за счёт взаимодействия с веществом вторичных тяжелых заряженных частиц и фотонов, возникающих в результате упругого и неупругого рассеяния нейтронов на ядрах легких элементов (водорода, углерода, кислорода и азота), составляющих биологическую ткань. К этим «переносчикам энергии» относятся

· протоны отдачи;

· тяжелые ядра отдачи;

· продукты ядерных реакций (n,α), (n,p);

· фотоны, возникающие при радиационном захвате –
(n,g)-реакции.

Нейтронное излучение условно разделяют на энергетические диапазоны, выделяя при этом

– быстрые нейтроны – нейтроны с энергиями более 100 кэВ;

– медленные нейтроны – нейтроны с энергиями от 0.5 эВ
до 100 кэВ;

– тепловые нейтроны – нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами вещества и имеющие энергию от 0.5 до 0.005 эВ. Наиболее вероятная энергия таких нейтронов при комнатной температуре равна 0.025эВ.

Быстрые нейтроны испытывают, в основном, упругое рассеяние; при этом ядру может быть передана кинетическая энергия от нуля до максимальной

,

(2.10)

где m – масса нейтрона, E_n – его энергия, М – масса ядра атома. Например, при столкновении с ядром атома водорода – протоном E_max = Е_n, а при столкновении с ядром атома кислорода E_max = 0.22×Е_n. Если энергия нейтрона, например, 1 МэВ, то ядру атома кислорода может быть передана энергия 0.22 МэВ. При такой энергии тяжелое ядро атома начинает быстро двигаться в веществе. При этом атом в целом теряет электроны и становится положительно заряженным ионом. При движении через вещество такой ион производит ионизацию и возбуждение встречных атомов. Ядра, возникающие при рассеянии нейтронов, называются ядрами отдачи, а протоны (ядра водорода) – протонами отдачи.

Под действием быстрых нейтронов в биологической ткани могут происходить и ядерные реакции. Наиболее существенная с точки зрения последующей ионизации вещества реакция ,
где Q = 0.626 МэВ – энергия, выделяющаяся в реакции и превращающаяся в кинетическую энергию протона и ядра ¹⁴С.

При взаимодействии тепловых и медленных нейтронов с биологической тканью значительную роль играет реакция захвата нейтрона ядром водорода ; при этом образуется ядро тяжелого водорода – дейтерия. Гамма-квант имеет энергию 2.25 МэВ и в дальнейшем может взаимодействовать с веществом, как было описано ранее.

Нейтроны не могут непосредственно производить ионизацию атомов вещества. Их взаимодействие с ядрами определяет распространение нейтронов в веществе. Продукты такого взаимодействия – заряженные частицы. Производимая ими ионизация атомов и молекул является главным процессом, с помощью которого энергия нейтронного излучения передается веществу.