Erzeugen kalte Neutronen radioaktive Elemente?

Jeder Neutroneneinfang verursacht eine Kerntransmutation. Die „Neutronentrennungsenergie“ des Tochterkerns wird im Allgemeinen sofort freigesetzt, normalerweise als Kaskade von Gammastrahlen. Die Grundzustände der Tochterkerne können stabil oder instabil sein. Die neuen instabilen Kerne werden als „Neutronenaktivierungsprodukte“ bezeichnet; Material, das nach Einwirkung von Neutronen radioaktiv geworden ist, soll „aktiviert“ worden sein.

Einige praktische Beispiele:

• Polyethylen hoher Dichte, dessen chemische Formel aus langen Ketten besteht$\rm CH_2$, fängt hauptsächlich Neutronen durch Wasserstoff in Deuterium ein, wobei einige weniger Einfange Kohlenstoff-12 in Kohlenstoff-13 umwandeln. Keines der Abfangprodukte ist radioaktiv, daher wird sauberes HDPE nicht durch Neutronenstrahlen aktiviert.

• Aluminium hat nur ein stabiles Isotop. Neutroneneinfang auf Aluminium bildet Aluminium-28, das mit einer Halbwertszeit von einigen Minuten zu Silizium zerfällt. Neutronenaktiviertes Aluminium hat nach etwa einer Stunde keine nachweisbare Aktivität.

• Wenn Sie ein Experiment bauen würden, das Cäsiumjodid-Detektoren verwendet, um die sofortigen Gammastrahlen von Neutroneneinfang zu untersuchen, aber Ihr Abschirmungsdesign fehlerhaft wäre und Neutronen in Ihre Detektorkristalle eindrangen, würden Sie auch Strahlung von den Zerfällen von Jod-128 (25m) erkennen. , das Isomer Cäsium-134m (2.9h) und der Grundzustand Cäsium-134 (2y). Junge hallo, war das ein teurer Fehler. Nicht, dass ich verbittert wäre.

• Kalte Neutronen in der Luft durchlaufen eine Nukleonentransferreaktion mit Stickstoff,

  $$\rm ^{14}N + n \to p + {}^{14}C$$

  was biologische Folgen hat.

• Wenn Sie einen Rauchmelder mit einer Americium-Ionisationsquelle besitzen, wurde dieses Americium durch wiederholten Neutroneneinfang auf Uran in einem Reaktorkern erzeugt.

Im Allgemeinen haben Neutronen, deren kinetische Energie unterhalb der Energie jeder Kernresonanz liegt, einen Wirkungsquerschnitt

Wo$E_\text{thermal} \approx \rm \frac{1}{40}\,eV$ist die mit „Raumtemperatur“ verbundene kinetische Energie. Kernresonanzen erreichen ihren Tiefpunkt im Kilo-eV-Bereich, sodass die Annäherung für praktisch alle Milli-eV-Neutronen gut ist. Die Energieabhängigkeit wird oft als „Eins-über-V“-Querschnitt bezeichnet, was sich auf die Neutronengeschwindigkeit bezieht$v = \sqrt{2E/m}$. Eine handwinkende Interpretation von a$1/v$Querschnittsabhängigkeit ist, dass die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs proportional zur „Verweilzeit“ des Neutrons in der Nähe des Kerns ist.

Die kleinsten Neutronentrennungsenergien sind Mega-eV, daher ist die kinetische Energie eines Milli-eV-Neutrons bei einer Einfangreaktion völlig vernachlässigbar.

Tatsächlich ist der Neutroneneinfangquerschnitt für langsamere Neutronen normalerweise höher (deshalb benötigen Sie in einem Kernreaktor einen Moderator, der die bei den Spaltungsreaktionen freigesetzten heißen Neutronen verlangsamt). Für die Kernreaktionen spielt es energetisch keine Rolle, ob die Neutronen thermisch oder kalt sind (einige eV spielen bei den Energieskalen, von denen wir sprechen, keine Rolle).

Ein von einem Kern eingefangenes Neutron setzt aufgrund der starken Kernkraft Bindungsenergie frei. Die Anfangskonfiguration ist typischerweise ein angeregter Zustand, was häufig der Fall ist$\gamma$-Emission, wenn sich der Kern in seinen Grundzustand entspannt. Ein instabiler Kern kann durchaus die Folge sein.

Wenn der Neutronengehalt des Kerns zunimmt, ist er möglicherweise nicht mehr stabil dagegen$\beta$-Zerfall, so dass ein instabiler Kern die Folge sein kann.

Wikipedia hat einen hilfreichen Artikel: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_capture enthält eine Nuklidkarte mit den Querschnitten für thermische Neutroneneinfang- und Reaktionsbeispiele.

Die Dinge sind komplizierter als Ihre Frage vermuten lässt.

Wie Sebastian Riese erwähnt, bedeutet höhere Energie normalerweise einen geringeren Wirkungsquerschnitt. Es gibt viel Komplexität. Bei einigen Zwischenenergien gibt es Resonanzen. Das geht weit weg von deiner Frage. Aber lassen wir das beiseite. Nehmen wir an, es gibt eine Wechselwirkung.

Dies hängt vom Zielkern ab. Dadurch erhalten Sie viele mögliche Ergebnisse.

Im Folgenden sollten Sie davon ausgehen, dass viele dieser Reaktionen einige zusätzliche Gammas auf dem Weg produzieren können. Wenn eine Reaktion einen Kern in einen erhöhten Energiezustand versetzt, ein Isomer, dann kann er ein Gamma abgeben, um sich wieder in den Grundzustand zu entspannen. Auch mit dieser Warnung beschönige ich viele Details.

Bei einigen Isotopen ist es möglich, dass das einfallende Neutron eine Spaltung erzeugt. Das Ergebnis sind oft zwei Fragmente des ursprünglichen Kerns plus einige wenige Neutronen. Die Anzahl der Neutronen ist zufällig und liegt normalerweise im Bereich von 1 bis 3, abhängig von der Art des Kerns und der Energie des Neutrons. Die Fragmente sind sehr oft radioaktiv, da sie sehr wahrscheinlich zu viele Neutronen haben, um stabil zu sein. Es gibt mehrere mögliche radioaktive Zerfälle, denen sie folgen können, je nachdem, um welches Isotop es sich handelt. Sie können ein Neutron freisetzen. Sie können ein Alphateilchen freisetzen. Sie können beta-zerfallen. Einige können einen Elektroneneinfang durchführen. Und viele von ihnen werden auf dem Weg zu einem anderen Zerfall Gammas freisetzen. Spaltfragmente sind eine "Suppe" aus vielen verschiedenen Arten von Strahlung bei vielen verschiedenen Energien und vielen verschiedenen Halbwertszeiten.

Viele Isotope können ein ankommendes Neutron einfangen. Abhängig von der Energie des einfallenden Neutrons kann dies auf verschiedene Arten geschehen.

Steht dem entstehenden Kern ein Energiezustand zur Verfügung, ist es ihm möglich, das Neutron einfach zu absorbieren. Viel üblicher ist eine sogenannte n-Gamma-Reaktion. Das Neutron wird absorbiert und der Kern setzt sofort ein Gamma frei, damit es in einen seiner verfügbaren Energiezustände übergehen kann. Dies kann zu einem neuen Kern mit einem weiteren Neutron führen. Dieses neue Isotop kann stabil oder radioaktiv sein. Dies hängt vom Startkern und der Energie des einfallenden Neutrons ab.

Betrachten wir zum Beispiel Eisen. Natürliches Eisen hat vier Isotope: Fe54, Fe56, Fe57 und Fe58. Fe56 ist bei weitem am häufigsten. Aber spaßeshalber nehmen wir an, der Zielkern ist Fe54, das 5,85 % des natürlichen Eisens ausmacht. Es fängt also ein Neutron ein und wird zu Fe55. Fe55 kann Elektronen mit einer Halbwertszeit von 2,73 Jahren einfangen und zu Mn55 werden, das stabil ist.

Es gibt noch andere Dinge, die das ankommende Neutron tun kann. Eine wichtige Reaktion wird "Spalling" genannt. Das einfallende Neutron kann dazu führen, dass Neutronen aus dem Zielkern herausgeschleudert werden. Dies wird als n-2n-Reaktion bezeichnet. Das kann bei Blei passieren. Das Ergebnis ist, dass Blei eine schlechte Wahl für die Abschirmung gegen Neutronen sein kann, da es zu mehr Neutronen führen kann, als Sie begonnen haben. Sie werden weniger Energie haben, als Sie begonnen haben, aber mehr von ihnen. Und in manchen Situationen ist das schlimmer als gar keine Abschirmung.

Was den Bleikern betrifft, hat Blei vier stabile Isotope: Pb204, Pb206, Pb207 und Pb208. Wenn sich das Abplatzen also von einem zum anderen bewegt, ist es immer noch stabil. PB205 kann Elektronen einfangen (möglicherweise nach der Freisetzung einiger Gammas) mit einer Halbwertszeit von 17,3 Millionen Jahren. Und PB203 kann Elektronen an Tl203 mit einer Halbwertszeit von 51,9 Stunden einfangen, und Tl203 ist stabil.

Es gibt einige andere Reaktionen, die je nach beteiligtem Kern auftreten können. Aber es ist schon ziemlich kompliziert.

Also, um es zusammenzufassen. Sie hängt von der Energie des einfallenden Neutrons und der Art des Kerns ab, auf den es trifft. Es kann ein neues stabiles Isotop oder durch eine von mehreren Reaktionen ein radioaktives Isotop erzeugen. Und es kann verschiedene Arten von Strahlung freisetzen.