Взаимодействие нейтронов с веществом

Вследствие того что нейтроны не имеют заряда, а масса их много больше массы электронов, они обладают большой проникающей способностью и теряют свою энергию практически только при со­ударении с ядрами атомов. При этом возможно упругое и неупрутое рассеяние нейтронов на ядрах. В результате нейтронное излучение в живых организмах образует наведенную радиоактивность.

В зависимости от энергии различают сверхбыстрые, быстрые, промежуточные, медленные и тепловые нейтроны.

Сверхбыстрые нейтроны. Такие нейтроны получают в ядерных реакторах; они возникают при ядерных взрывах. Энергия их состав­ляет 10... 50 МэВ. При взаимодействии с тяжелыми элементами сверхбыстрые нейтроны вызывают деление их ядер. При этом образуются сильно возбужденные ядра. В результате нарушения соотношения протонов и нейтронов в ядрах уменьшаются силы ядерного сцепления, и нуклоны под действием сил отталкивания расходятся. Ядро деформируется и расщепляется на два-три осколка. Во время каждого акта деления высвобождается колоссальная энергия (около 200 МэВ) и вылетает два-три свободных нейтрона, которые способ­ны вызвать деление других ядер. Так возникает процесс цепного де­ления ядер.

Из большого числа ядерных осколков и их дочерних продуктов интерес для радиобиологии представляют в первые месяцы после ядерного взрыва ¹³¹ I, ¹⁴⁰Ва, ¹³⁴Cs и ¹³⁷Cs, а в последующем ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.

Быстрые нейтроны. Такие нейтроны образуются в результате ядер­ных реакций. Энергия их превышает 100 кэВ. При соударении с яд­рами атомов быстрые нейтроны передают им часть своей энергии, образуя быстро летящие ядра (ядра отдачи). Ядра отдачи, как и все заряженные частицы, тратят свою энергию на ионизацию среды. Доля передаваемой ядру энергии возрастает с уменьшением массы ядра. Так, при соударении нейтронов с ядрами водорода, т. е. с про­тонами, им передается в среднем до 60 % энергии нейтрона, так как массы этих частиц практически равны. Поэтому быстрые нейтроны хорошо замедляются легкими веществами, содержащими много ато­мов водорода, такими, как вода, парафин, животная и растительная ткань, и свободно прохо­дят через объекты большой толщины, состоящие из тяжелых веществ (свинец и др.). При взаимодействии с ядрами нейтроны постепенно замедляются вплоть до тепловых скоростей, то есть до скоростей движения молекул среды.

Промежуточные нейтроны. Энергия таких нейтронов: 100 эВ - 1 кэВ. Они чаще взаимодействуют с веществом по типу упругого рассеяния.

Медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 кэВ. В отличие от быстрых нейтронов медленные захватываются ядрами атомов, в результате чего образуются новые стабильные или радиоактивные изотопы. В водородсодержащих ве­ществах ядра водорода захватывают медленные нейтроны и превра­щаются в ядра тяжелого водорода - дейтерия. Радиационный зах­ват нейтронов сопровождается испусканием жестких гамма-кван­тов с энергией, равной 2,18 МэВ.

Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025эВ. Тепловые нейтроны захватываются поглощающей сре­дой так же, как и медленные.

Для защиты от нейтронов с низкой энергией необходимо исполь­зовать кроме низкоатомарного поглотителя (вода, бор или кадмий) и экран из тяжело­го материала (свинец, барий) для ослабления гамма-излучения.

Итак, при взаимодействии фотонов, заряженных и нейтральных корпускул со средой происходит ионизация вещества. Для каждого вида излучения характерны определенное распределение энергии и плотность ионизации в веществе, а также проникающая способность.

Образованием первичных продуктов, т.е. возбуждённых, сверхвозбуждённых и ионизированных молекул, неравномерно распределённых в пространстве, заканчивается первая, или физическая стадия взаимодействия излучения с веществом.