[科普中國(guó)]-中子俘獲

中子俘獲是一種原子核與一個(gè)或者多個(gè)中子撞擊，形成重核的核反應(yīng)。由于中子不帶電荷，它們能夠比帶一個(gè)正電荷的質(zhì)子更加容易地進(jìn)入原子核。

在宇宙形成過(guò)程中，中子俘獲在一些質(zhì)量數(shù)較大元素的核合成過(guò)程中起到了重要的作用。中子俘獲在恒星里以快（R-過(guò)程）、慢（S-過(guò)程）兩種形式發(fā)生。質(zhì)量數(shù)大于56的核素不能夠通過(guò)熱核反應(yīng)（即核聚變）產(chǎn)生，但是可以通過(guò)中子俘獲產(chǎn)生。

基本概念中子在與原子核相互碰撞后，被核所吸收并發(fā)出γ射線的過(guò)程。在有些情況下亦會(huì)導(dǎo)致核的β衰變或裂變。

當(dāng)一個(gè)中子擠進(jìn)原子核這個(gè)球體時(shí)，通常稱為中子俘獲。1

原理介紹2

中子進(jìn)入原子核形成“復(fù)合核”后，可能發(fā)射一個(gè)或者多個(gè)光子，也可能發(fā)射一個(gè)或者多個(gè)粒子而回到基態(tài)。前者就成為“輻射俘獲”，而后者則相應(yīng)于各種中子核反應(yīng)。例如：

1H+n→2H+γ

6Li+n→3H+α

有幾種重原子核（如235U），俘獲一個(gè)中子后會(huì)分裂為兩個(gè)或者三個(gè)較輕的原子核，同時(shí)發(fā)出2～3個(gè)中子以及很大的能量（約200MeV），這就是核裂變反應(yīng)。1

低中子通量的中子俘獲在低中子通量的情況里，如核反應(yīng)堆里，單個(gè)的中子被一個(gè)原子核俘獲。例如，當(dāng)金（197Au）被中子輻射，處于高激發(fā)態(tài)的同位素金198（198Au）會(huì)被產(chǎn)生，然后很快衰變躍遷到其基態(tài)，放射出伽馬射線。在這個(gè)過(guò)程之中，質(zhì)量數(shù)增加1。這個(gè)核反應(yīng)可以用以下的簡(jiǎn)式表示：

197Au(n,γ)198Au

如果這個(gè)核反應(yīng)中用到了熱中子，一般稱其為熱俘獲（thermal capture）。

同位素金198（198Au）容易發(fā)生β衰變衰變成同位素汞（198Hg）。在這個(gè)過(guò)程之中，原子序數(shù)增加1。

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高中子通量的中子俘獲如果中子通量的密度足夠高，以至于原子核在兩次中子俘獲之間沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行β衰變，那么R-過(guò)程就將恒星的內(nèi)部發(fā)生。這樣，質(zhì)量數(shù)會(huì)大幅增長(zhǎng)，而原子序數(shù)不變（核素種類保持不變）。只有在這一過(guò)程之后，其產(chǎn)生的高度不穩(wěn)定原子核發(fā)生β衰變，轉(zhuǎn)變成具有更高原子序數(shù)、穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的原子核。

應(yīng)用這是因?yàn)椴煌幕瘜W(xué)元素在吸收中子后會(huì)釋放不同特性的放射物質(zhì)。這一特性使這一方法在礦業(yè)勘探和安全方面十分有用。4

中子吸收劑最有效的中子吸收劑是可以通過(guò)吸收一個(gè)中子產(chǎn)生穩(wěn)定原子核的放射性同位素。例如，氙135（半衰期約9.1小時(shí)），可以吸收一個(gè)中子變成穩(wěn)定的氙136。氙135可以在核反應(yīng)堆里通過(guò)鈾235，鈾233和钚239核裂變，伴隨產(chǎn)生碘135。碘135迅速發(fā)生衰變，放射出一粒β粒子（高能電子）并產(chǎn)生氙135。

其他主要的中子吸收劑還包括氦3同位素，它吸收中子后可以產(chǎn)生氚（氫的一種較重同位素）；硼10，它吸收中子后可以產(chǎn)生鋰和氦核；釤149也是一種有效的中子吸收劑，吸收中子后產(chǎn)生穩(wěn)定的同位素釤150。

另外一些在核反應(yīng)堆里的控制棒所使用的中子吸收劑包括鎘、鉿和稀土金屬釓，這些都含有若干種同位素，有一些還是非常高效的中子吸收劑。

鉿元素是人類最后發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定元素之一，呈現(xiàn)出一些有趣的情況。盡管鉿是一種較重的元素，它的電子結(jié)構(gòu)實(shí)際上與鋯相同，而且二者總是在同一礦石鋯石中被發(fā)現(xiàn)。然而，二者原子核的性質(zhì)卻有深層次的區(qū)別。鉿很容易吸收中子，可以被用在原子反應(yīng)堆的控制棒中，而鋯卻允許中子通過(guò)。這樣，鋯在原子反應(yīng)堆也可以用來(lái)制作燃料棒的外殼。有鑒于此，分離自然合金狀態(tài)的鋯和鉿就顯得十分重要。這可以采用現(xiàn)代化學(xué)中的離子交換技術(shù)達(dá)到，并且成本相對(duì)低廉。一些新方法例如甲基異丁基酮-硫氰酸法、磷酸三丁酯法、三辛胺法和改進(jìn)的N235-H2SO4法等溶劑萃取分離技術(shù)正在被研究5

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

賈愛(ài)芬 - 高級(jí)工程師/國(guó)家注冊(cè)核安全工程師 - 中核二三設(shè)計(jì)院