Nötron yakalama

Termal nötron yakalama kesit değerlerini gösteren çekirdeklerin grafiği

Nötron yakalama, bir atom çekirdeğinin ve bir veya daha fazla nötronun çarpışarak daha ağır bir çekirdek oluşturmak için birleştiği nükleer bir reaksiyondur. Nötronların elektrik yükü olmadığı için, elektrostatik olarak itilen pozitif yüklü protonlardan daha kolay bir çekirdeğe girebilirler.

Nötron yakalama, ağır elementlerin kozmik nükleosentezinde önemli bir rol oynar. Yıldızlarda bu iki şekilde ilerleyebilir: hızlı (r-süreci) veya yavaş bir süreç (s-süreci). 56'dan büyük kütleli çekirdekler termonükleer reaksiyonlarla (yani nükleer füzyonla) oluşturulamaz, ancak nötron yakalama ile oluşturulabilir. Protonlardaki nötron yakalama, güneş patlamalarında tahmin edilen ve yaygın olarak gözlemlenen 2,223 MeV'de bir çizgi verir.

Küçük nötron akısında nötron yakalama

Küçük nötron akışında, bir nükleer reaktörde olduğu gibi, bir çekirdek tarafından tek bir nötron yakalanır. Örneğin, doğal altın (¹⁹⁷Au) nötronlar (n) tarafından saçıldığında, ¹⁹⁸Au izotopu oldukça uyarılmış bir durumda oluşur ve gama ışınlarının (γ) yayılmasıyla ¹⁹⁸Au'nun temel durumuna hızla bozulur. Bu süreçte kütle sayısı bir artar. Bu, ¹⁹⁷Au + n → ¹⁹⁸Au + γ biçiminde veya kısaca ¹⁹⁷Au (n, γ) ¹⁹⁸Au biçiminde bir formül olarak yazılmıştır. Termal nötronlar kullanılıyorsa, işleme termal yakalama denir.

İzotop ¹⁹⁸Au, cıva izotopu ¹⁹⁸Hg'ye bozunan bir beta yayıcıdır. Bu süreçte atom numarası bir artar.

Yüksek nötron akısında nötron yakalama

Eğer nötron akı yoğunluğu o kadar yüksekse, atom çekirdeğinin nötron yakalamaları arasında beta emisyonu yoluyla bozunacak zamanı yoksa, r-süreci yıldızların içinde gerçekleşir. Atom numarası (yani element) aynı kalırken kütle numarası büyük miktarda artar. Daha fazla nötron yakalama artık mümkün olmadığında, oldukça kararsız çekirdekler, birçok β− bozunması yoluyla bozunarak daha yüksek numaralı elementlerin beta-kararlı izotoplarına dönüşür.

Yakalama kesiti

Bir kimyasal elementin bir izotopunun absorpsiyon nötron kesiti, bu izotopun bir atomunun absorpsiyona sunduğu etkili kesit alanıdır ve nötron yakalama olasılığının bir ölçüsüdür. Genellikle barns (b) ile ölçülür.

Soğurma kesiti genellikle nötron enerjisine oldukça bağımlıdır. Genel olarak, emilme olasılığı, nötronun çekirdeğin yakınında olduğu zamanla orantılıdır. Çekirdeğin çevresinde geçirilen zaman, nötron ve çekirdek arasındaki bağıl hız ile ters orantılıdır. Diğer daha spesifik konular bu genel ilkeyi değiştirir. En yaygın olarak belirtilen önlemlerden ikisi, termal nötron absorpsiyonu için enine kesittir ve belirli bir nüklide özgü belirli nötron enerjilerinde absorpsiyon zirvelerinin katkısını dikkate alan, genellikle termal aralığın üzerinde olan, ancak nötron ılımlılığı nötronun orijinal bir yüksek enerjiden yavaşlatılması olarak karşılaşılan rezonans integrali.

Çekirdeğin termal enerjisi de bir etkiye sahiptir; sıcaklıklar yükseldikçe, Doppler genişlemesi bir rezonans zirvesi yakalama şansını artırır. Özellikle, uranyum-238'in nötronları daha yüksek sıcaklıklarda absorbe etme (ve bunu fisyon olmadan yapma) yeteneğindeki artış, nükleer reaktörleri kontrol altında tutmaya yardımcı olan negatif bir geri bildirim mekanizmasıdır.

Termokimyasal önemi

Nötron yakalama, kimyasal elementlerin izotoplarının oluşumunda rol oynar. Bu gerçeğin bir sonucu olarak, nötron yakalama enerjisi, izotopların standart oluşum entalpisine müdahale eder.

Kullanımlar

Nötron aktivasyon analizi, malzemelerin kimyasal bileşimini uzaktan tespit etmek için kullanılabilir. Bunun nedeni, farklı elementlerin nötronları emdiklerinde farklı karakteristik radyasyon yaymalarıdır. Bu, maden arama ve güvenlikle ilgili birçok alanda yararlı olmasını sağlar.

Nötron emiciler

En önemli nötron emici, kontrol çubuklarında ¹⁰B₄C olarak ¹⁰B veya PWR'lerde soğutucu su katkı maddesi olarak borik asittir. Nükleer reaktörlerde kullanılan diğer önemli nötron emiciler, ksenon, kadmiyum, hafniyum, gadolinyum, kobalt, samaryum, titanyum, disprosiyum, erbiyum, öropyum, molibden ve iterbiyumdur; bunların hepsi genellikle çeşitli izotopların karışımlarından oluşur - bazıları mükemmel nötron emicilerdir. Bunlar ayrıca Mo₂B₅, hafniyum diborür, titanyum diborür, disprosiyum titanat ve gadolinyum titanat gibi kombinasyonlarda da meydana gelir.