Захоплення нейтронів

У результаті реакції захоплення нейтрона утворюється важчий ізотоп того ж елемента, як правило, у збудженому стані. Збудження зазвичай знімається випромінюванням одного або кількох гамма-квантів з переходом ядра до основного стану[1]; у важких ядер можливий поділ. Утворене в результаті нейтронного захоплення ядро ​​може бути як стабільним, так і радіоактивним. Наведена радіоактивність внаслідок нейтронного опромінення (зокрема, в ядерних реакторах) є значним джерелом радіоактивних відходів.

Перетин захоплення нейтронів ізотопами ¹⁵⁷Gd та ¹⁰B залежно від енергії нейтрона

Типові перетини захоплення теплового нейтрона ядрами становлять близько 1 барна (що близько до геометричного поперечного перерізу ядра), однак для деяких нуклідів спостерігаються відхилення на кілька порядків як у бік збільшення, так і зменшення перетину захоплення. Наприклад, для ядра бору ¹⁰B перетин захоплення теплових нейтронів становить 3840 барн, а найбільший переріз захоплення теплових нейтронів — сотні тисяч барн — має ізотоп гадолінію ¹⁵⁷Gd[2]. Перетин захоплення швидких нейтронів значно менший; зі зростанням енергії нейтрона перетин зменшується обернено пропорційно його швидкості. Однак досить часто трапляється, що для певних енергій нейтрона переріз захоплення нейтрона ядром має різко виражений максимум[3].

Внаслідок захоплення нейтрона ядрами урану-235 утворюється короткоживуче ядро урану-236, яке розпадається на дві частини:

${\displaystyle _{92}^{235}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{236}{\text{U}}\,\rightarrow \,_{52}^{137}{\text{Te}}+\,_{40}^{97}{\text{Zr}}+2n}$

${\displaystyle _{92}^{235}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{236}{\text{U}}\,\rightarrow \,_{36}^{91}{\text{Kr}}+\,_{56}^{142}{\text{Ba}}+3n}$

У результаті таких реакцій вивільняються додаткові нейтрони з енергією від нуля до 7 МеВ (здебільшого утворюються нейтрони з енергією в діапазоні 10⁵–10⁷ еВ[4]), які можуть призводити до поділу інших ядер. Таким чином реакція може набувати ланцюгового характеру, що застосовується в ядерних реакторах та ядерній зброї[5].

Однак природний уран містить невелику частку ізотопу-235 (близько 0,7%), а основну його частину складає ізотоп-238. Для поділу ядер урану-238 потрібні нейтрони з енергією не менше 1,8 МеВ. Нейтрони з енергією менше 1 МеВ поглинаються ядрами не викликаючи їх поділу. Утворене ядро урану-239 зазвичай зазнає двох бета-розпадів та перетворюється на плутоній-239:

${\displaystyle _{92}^{238}{\text{U}}+n\,\rightarrow \,_{92}^{239}{\text{U}}\,{\xrightarrow[{T_{\frac {1}{2}}\approx 23\ {\text{хв}}}]{\,}}\,_{93}^{239}{\text{Np}}+e^{-}+{\tilde {\nu }}}$

${\displaystyle _{93}^{239}{\text{Np}}\ {\xrightarrow[{T_{\frac {1}{2}}\approx \ 2{,}3\ {\text{дні}}}]{\,}}\,_{94}^{239}{\text{Pu}}+e^{-}+{\tilde {\nu }}}$

Утворений ізотоп плутонію-239 подібно до урану-235 також поділяється як повільними, так і швидкими нейтронами, а тому використовується в ядерних технологіях аналогічно урану[5].

Захоплення нейтронів застосовується в нейтронно-активаційному аналізі: досліджувана речовина опромінюється нейтронами, після чого визначається кількість радіоактивних ядер, які утворилися в результаті захоплення, що дає інформацію про склад речовини^{[джерело?]}. Перспективним методом лікування онкологічних захворювань є доставка в пухлину стабільних ізотопів з великим перетином захоплення нейтрона (¹⁰B, ¹⁵⁷Gd), які після опромінення тепловими нейтронами перетворюються на радіоактивні ізотопи й руйнують клітини[6].

• p-процес — ядерні реакції захоплення протонів важким ядром.
• Нейтронний гамма-каротаж