Was passiert mit Neutronen der kosmischen Strahlung auf der Erde?

Wenn kosmische Strahlen vom Himmel fallen, produzieren sie viele Neutronen. Sie werden dem Erdsystem „hinzugefügt“, was passiert also mit ihnen?

  • Zerfallen sie zu Protonen? Daraus folgt, dass sie dann leicht ein freies Elektron einfangen und Wasserstoff bilden. Wird die Erde im Laufe der Zeit mit immer mehr Wasserstoff angereichert?
  • Werden sie von Kernen eingefangen, sobald sie thermalisiert werden? Sie gehen also alle in die Produktion von radioaktiven (kosmogenen) Kernen ein? Was passiert mit Neutronen im Ozean, wo keine schweren Kerne sind, bilden sie Deuteriumwasser?

Was ist der dominierende Prozess und warum?

Gute Frage, auf die ich nur eine Teilantwort kenne. Sobald Sie einen Weg in den Untergrund gefunden haben, gehen einige in die Entstehung kosmogener Kerne ein, aber Sie werden vielleicht überrascht sein, wie viele von ihnen auf leichten Isotopen eingefangen werden. Überraschenderweise weiß ich nicht, wie viele einfach verfallen – KamLAND hat sicherlich das Potenzial, diese Frage zu beantworten, aber ich weiß nicht, dass jemand die Studie durchgeführt hat. Leider bin ich derzeit nicht mit einem Experiment verbunden, bei dem ich die Studie durchführen könnte.

Antworten (1)

Ja, sie werden thermalisiert und eingefangen. Denken Sie daran, dass die Lebensdauer freier Neutronen ungefähr fünfzehn Minuten beträgt und dass sich thermische Neutronen mit ein paar Kilometern pro Sekunde bewegen. Die Chance, fünfzehn Minuten ohne eine Capture-Interaktion auszukommen, ist winzig. (Selbst in sogenannten "Neutronenflaschenfallen" ist es schwierig, die mittlere Zeit vor dem Verschwinden der Neutronen auf die Beta-Zerfallslebensdauer zu bringen.) Es wird etwas freien Zerfall geben, aber nicht viel.

Die Atmosphäre hat viel Wasserdampf und der Boden enthält viel Wasser, um es mit Wasserstoff einzufangen; Die Wirkungsquerschnitte für Kohlenstoff und Sauerstoff sind ziemlich niedrig (sie sind Alpha-Teilchenkerne), aber die Wirkungsquerschnitte für Stickstoff (1,9 Barn, für thermische Neutronen) und Silizium (0,17 Barn) sind vergleichbar mit Wasserstoff (0,33 Barn). Iron ist im selben Gebiet. Sie können das Neutron Data Booklet genauso gut durchsuchen wie ich. Kerne mit ungeraden Protonen sind wie Kupfer typischerweise nach dem Neutroneneinfang instabil und zerfallen nach einiger Zeit in den Beta-Zerfall.

Tatsächlich erinnere ich mich, gelesen zu haben, dass mehr Neutronen der kosmischen Strahlung im Boden durch schnelle Myonen-Spallation erzeugt werden als in Prozessen wie 14 N ( P , N ) 14 C in der Atmosphäre. Die ersten Daten erschienen in der sowjetischen Zeitschrift JETP und erwähnten, dass der thermische Fluss in Bodennähe durch das Vorhandensein von einem halben Meter Schnee als Moderator deutlich erhöht wurde.

Der Wirkungsquerschnitt für den thermischen Neutroneneinfang auf C-12 beträgt – für mich überraschend – etwa 1 % von dem auf H-1. Es war genug los in KamLAND, dass wir sie zählen mussten.
@dmckee Nun, KamLAND war ziemlich großartig.
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