التقاط النيوترونات

التقاط النيوترونات هو تفاعل نووي تصطدم فيه نواة ذرية بنيوترون واحد أو أكثر وتندمج لتكوين نواة أثقل. ^{[ 1 ]} ولأن النيوترونات لا تحمل شحنة كهربائية، فإنها تستطيع دخول النواة بسهولة أكبر من البروتونات الموجبة الشحنة ، التي تتنافر معها بفعل الشحنات الكهروستاتيكية . ^{[ 1 ]}

يلعب التقاط النيوترونات دورًا هامًا في التخليق النووي الكوني للعناصر الثقيلة. في النجوم، يمكن أن يحدث ذلك بطريقتين: عملية سريعة ( عملية r ) أو عملية بطيئة ( عملية s ). ^{[ 1 ]} لا يمكن تكوين أنوية ذات كتل أكبر من 56 عن طريق التفاعلات النووية الحرارية الطاردة للحرارة (أي عن طريق الاندماج النووي )، ولكن يمكن تكوينها عن طريق التقاط النيوترونات. ^{[ 1 ]} ينتج عن التقاط النيوترونات بواسطة البروتونات خط طيفي عند 2.223 ميغا إلكترون فولت، متوقع ^{[ 2 ]} ويُلاحظ عادةً ^{[ 3 ]} في التوهجات الشمسية .

عند تدفق النيوترونات المنخفض ، كما هو الحال في المفاعل النووي ، يتم التقاط نيوترون واحد بواسطة النواة. على سبيل المثال، عند تشعيع الذهب الطبيعي ( ^197Au ) بالنيوترونات (n)، يتشكل النظير ^198Au في حالة إثارة عالية، ويتحلل بسرعة إلى حالته الأرضية 198Au عن طريق انبعاث أشعة غاما ( γ ). في هذه العملية، يزداد العدد الكتلي بمقدار واحد. يُكتب هذا على شكل الصيغة ^197Au + n → ^198Au + γ ، أو باختصار ^197Au (n,γ) → ^{198Au .} إذا استُخدمت النيوترونات الحرارية ، تُسمى هذه العملية بالتقاط حراري .

يُعد النظير ¹⁹⁸ Au مصدرًا لانبعاث جسيمات بيتا ، ويتحلل إلى نظير الزئبق ¹⁹⁸ Hg. وفي هذه العملية، يرتفع العدد الذري بمقدار واحد.

تحدث عملية الالتقاط السريع للنيوترونات ( r -process) داخل النجوم عندما يكون تدفق النيوترونات كثيفًا جدًا لدرجة أن نواة الذرة لا تملك الوقت الكافي للتحلل عبر انبعاث جسيمات بيتا بين عمليات التقاط النيوترونات. ونتيجة لذلك، يرتفع العدد الكتلي بشكل كبير بينما يبقى العدد الذري (أي العنصر) ثابتًا. وعندما يصبح التقاط المزيد من النيوترونات غير ممكن، تتحلل النوى غير المستقرة للغاية عبر العديد من اضمحلالات بيتا ^{السالبة} إلى نظائر مستقرة بيتا لعناصر ذات أعداد ذرية أعلى.

المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات لنظير عنصر كيميائي هو مساحة المقطع العرضي الفعالة التي تعرضها ذرة ذلك النظير للامتصاص، وهو مقياس لاحتمالية التقاط النيوترونات. ويُقاس عادةً بوحدة البارن .

يعتمد مقطع الامتصاص العرضي بشكل كبير على طاقة النيوترون . عمومًا، يتناسب احتمال الامتصاص طرديًا مع مدة بقاء النيوترون بالقرب من النواة. وتتناسب مدة بقاء النيوترون بالقرب من النواة عكسيًا مع السرعة النسبية بين النيوترون والنواة. وتُعدِّل مسائل أخرى أكثر تحديدًا هذا المبدأ العام. ومن أبرز هذه المقاييس مقطع الامتصاص العرضي للنيوترونات الحرارية، وتكامل الرنين، الذي يأخذ في الاعتبار مساهمة قمم الامتصاص عند طاقات نيوترونية معينة خاصة بنواة معينة ، وعادةً ما تكون أعلى من النطاق الحراري، ولكنها تحدث عندما يُبطئ تباطؤ النيوترون من طاقته الأصلية العالية.

تؤثر الطاقة الحرارية للنواة أيضًا؛ فمع ارتفاع درجات الحرارة، يزيد اتساع دوبلر من احتمالية رصد ذروة الرنين. وعلى وجه الخصوص، تُعدّ زيادة قدرة اليورانيوم-238 على امتصاص النيوترونات عند درجات حرارة أعلى (دون حدوث انشطار) آلية تغذية راجعة سلبية تُساعد في الحفاظ على التحكم في المفاعلات النووية.

تُساهم عملية التقاط النيوترونات في تكوين نظائر العناصر الكيميائية. وبالتالي، فإن طاقة التقاط النيوترونات تؤثر على المحتوى الحراري القياسي لتكوين النظائر.

يمكن استخدام تحليل التنشيط النيوتروني للكشف عن التركيب الكيميائي للمواد عن بُعد، وذلك لأن العناصر المختلفة تُطلق إشعاعات مميزة عند امتصاصها للنيوترونات. وهذا ما يجعله مفيدًا في العديد من المجالات المتعلقة بالتنقيب عن المعادن والأمن.

في الهندسة، يُعدّ البورون ^-10 أهمّ مُمتصّ للنيوترونات ، ويُستخدم على شكل كربيد البورون في قضبان التحكم في المفاعلات النووية ، أو على شكل حمض البوريك كمادة مُضافة لمياه التبريد في مفاعلات الماء المضغوط . ومن مُمتصّات النيوترونات الأخرى المُستخدمة في المفاعلات النووية: الزينون ، والكادميوم ، والهافنيوم ، والغادولينيوم ، والكوبالت ، والساماريوم ، والتيتانيوم ، والديسبروسيوم ، والإربيوم ، واليوروبيوم ، والموليبدينوم ، والإيتربيوم . [ ^{4 ] توجد} جميع هذه العناصر في الطبيعة على شكل مخاليط من نظائر مختلفة، بعضها مُمتصّات ممتازة للنيوترونات. وقد توجد في مركبات مثل بوريد الموليبدينوم، وثنائي بوريد الهافنيوم ، وثنائي بوريد التيتانيوم ، وتيتانات الديسبروسيوم ، وتيتانات الغادولينيوم .

يمتص الهافنيوم النيوترونات بشدة، ويمكن استخدامه في قضبان التحكم بالمفاعلات النووية . ومع ذلك، يوجد الهافنيوم في نفس خامات الزركونيوم ، الذي يشترك معه في نفس التوزيع الإلكتروني الخارجي ، وبالتالي يتمتع بخصائص كيميائية متشابهة. إلا أن خصائصهما النووية تختلف اختلافًا كبيرًا: فالهافنيوم يمتص النيوترونات أفضل بـ 600 مرة من الزركونيوم. أما الزركونيوم، لكونه شفافًا تقريبًا للنيوترونات، فهو ذو قيمة عالية في صناعة الأجزاء الداخلية للمفاعلات، بما في ذلك الغلاف المعدني لقضبان الوقود . ولاستخدام هذين العنصرين في تطبيقاتهما، يجب فصل الزركونيوم عن الهافنيوم الموجود معه طبيعيًا. ويمكن تحقيق ذلك اقتصاديًا باستخدام راتنجات التبادل الأيوني . ^{[ 5 ]}

• اضمحلال بيتا
• النشاط الإشعاعي المستحث
• قائمة الجسيمات
• انبعاث النيوترونات
• التحلل الإشعاعي
• الأشعة: α — β — γ — δ
• عملية p (التقاط البروتون)

• XSPlot هو برنامج رسم مقاطع عرضية للنيوترونات عبر الإنترنت
• بيانات التقاط النيوترونات الحرارية
• المقاطع العرضية للنيوترونات الحرارية في الوكالة الدولية للطاقة الذرية