巨觀中子物理

研究中子同大塊媒質相互作用的核物理分支。它著眼於大量中子在單一媒質中的平均行為。它首先是由於裂變反應堆的要求而發展的，但它對於裂變能源，對於中子束的套用以及各種中子物理實驗技術的發展都有重要的作用。

巨觀中子物理

正文

中子-內部結構模型圖

巨觀截面和平均自由程　以一定速度在大塊媒質中運動的中子，不斷地同周圍的原子核（稱為靶核）發生碰撞，發生散射或吸收兩類中子核反應。散射時，中子本身並不消失，只是能量發生變化，以新的速度繼續在媒質中運動。吸收時，中子被原子核俘獲，從而在媒質中消失。原子吸收中子以後將發出γ射線、發出次級粒子或發生原子核裂變，核裂變將產生新的中子。這些核反應的發生幾率用各種反應截面（微觀截面，見核反應截面）描述，截面大，表示產生核反應的幾率大。不同能量的中子，與原子核產生各種反應的截面也不同。為了便於表述中子同巨觀物質的作用，引入巨觀反應截面這一物理量，用符號Σ 表示。它是靶核的微觀截面和單位體積內的靶核數N的乘積Σ＝Nσ。與微觀截面不同,巨觀截面的量綱是【L-1 】。巨觀截面是一個中子同單位體積內的原子核發生核反應的平均幾率大小的量度，它等於中子在媒質內飛行單位距離時發生某種核反應的幾率。巨觀總截面用 Σt表示，Σt=Σa+Σs，Σa為巨觀吸收截面,Σs為巨觀散射截面。
中子在連續兩次碰撞之間的平均飛行距離稱為平均自由程，用符號λ表示。顯然,在一個平均自由程之內發生某種碰撞的平均數為1。參照巨觀截面的定義,容易得出 λΣ＝1，即平均自由程等於巨觀截面的倒數。相應的有散射平均自由程，吸收平均自由程 。中子在媒質中的各種運動規律(無論空間時間變數的,還是能量變數的)都同巨觀截面或平均自由程有關,巨觀截面或平均自由程是描述物質中子物理特性的最基本的物理量。
巨觀參量及其實驗研究　無論是核裂變，還是其他核反應產生的中子，一般能量都在兆電子伏量級，這些快中子在大塊媒質中不斷通過散射損失能量，直到和媒質中靶核的能量交換處於平衡狀態為止。散射可分為彈性散射和非彈性散射兩種。發生彈性散射時，中子和靶核間只有動能交換，是一種彈性球式碰撞，靶核內能不發生變化。發生非彈性散射時，靶核內能發生變化。非彈性散射是一種閾反應，只有入射中子的能量超過某一數值時才能發生。一般說，輕核非彈性散射閾值高，重核的閾值低。研究中子在大塊媒質中損失能量的規律對核反應堆的物理設計十分重要。在快中子反應堆內，中子的平均能量為100keV左右，裂變中子（平均能量約為2MeV）主要通過非彈性散射損失能量。熱中子反應堆內中子的平均能量只有0.01eV左右，裂變中子主要通過彈性散射損失能量。中子這種損失能量而不斷減速的過程稱為慢化過程。中子從某一能量慢化到熱能，在媒質中穿行的平行距離用中子年齡來描述。對一個在無限大無吸收的媒質內的單能點中子源,定義中子年齡τ為中子在被慢化前穿行的直線距離RM的均方值的1/6，即

顯然τ 將由中子在媒質中的散射平均自由程和靶核的質量數決定，也同中子的初始能量有關。例如，平均能量為2MeV的裂變中子，在輕水（即普通水）中的中子年齡τ=26cm2 。慢化到熱中子以後,中子在媒質中的主要過程是擴散。中子慢化到熱中子以後並不馬上消失，還會在媒質中不斷運動,不斷地同原子核發生碰撞,這時中子和靶核之間的能量交換已達到平衡狀態，擴散過程是一個單純的從密度高的位置向密度低的位置遷移的過程。在某些條件下，中子擴散現象可以用斐克定律來描述，這些條件中最主要的是媒質必須是均勻的，足夠大的，巨觀吸收截面必須遠小於巨觀散射截面，即ΣaΣS。
描述中子擴散過程的斐克(Fick)定律是反應堆物理計算中廣為使用的擴散近似模型的基礎，它表示：中子流密度J正比於中子注量率梯度 墷φ的負值，其比例係數叫擴散係數，用D表示

其中，φ為中子注量率。
中子從成為熱中子開始擴散直到被吸收為止，在媒質中平均穿行的距離用中子擴散長度描述，它是表征物質巨觀中子物理特性的又一重要參量。對於在無限媒質內點中子源的情況,擴散長度L的平方等於熱中子從產生地點到被吸收處所穿行的直線距離RD的均方值的1/6,即

擴散長度和擴散係數之間的關係為

中子年齡和擴散係數等統稱為巨觀中子物理參量。它們從總體上反映了物質的中子物理特性。從20世紀40年代中期直到60年代末，由於反應堆工程的需要，人們廣泛研究了已經或可能用在反應堆中作為慢化劑的各種材料，如石墨、重水、鈹、輕水和多種有機材料，測定它們的中子年齡和擴散長度。測定方法可以分為靜態的和動態的兩類，所謂靜態方法，是在大塊被研究的媒質中放一個恆定中子源，測定中子注量率在媒質中的空間分布。具有不同能量回響特性的中子探測器測得的空間分布也不同，分析這些空間分布曲線就可以得到相應的參量。所謂動態方法是瞬間向媒質注入一束中子，測量中子數隨時間的衰減，從分析衰減曲線中得到有關參量。動態方法又稱脈衝中子源方法，發展得比較晚，但使用得比較廣。
研究課題的擴展和深入　在反應堆工程發展的前期，由於堆用材料的微觀核數據不夠齊全，計算機及計算技術還不夠發達，反應堆物理計算主要依靠巨觀中子物理參量，人們不僅研究和測量了單一媒質的巨觀中子物理參量，還測定了混合媒質,如水-鋁等混合媒質的巨觀中子物理參量,此外，還對幾種常用的慢化媒質,例如輕水和重水，測定了巨觀中子物理參量隨媒質溫度的變化。
為了描述中子群體在大塊媒質中的運動規律，可以寫出很完備的中子輸運方程，在輸運方程中出現的只是一些基本核參量，隨著核數據的逐步齊備和數字計算機技術的發展，巨觀中子物理參數對反應堆物理設計來說已經不那么重要了，但是，在早期形成的，屬於巨觀中子物理的一些基本概念仍在發展和使用，例如中子年齡本來是對無吸收的媒質定義的，對有吸收的媒質並不適用，但是人們仍然按中子被減速到某一能量以前穿行的空間距離的均方值，即所謂空間二次距來定義中子年齡。又如擴散係數，本來是對熱中子定義的，人們卻把它引伸到快中子能量範圍，在多群擴散近似中，按斐克定律的模式，定義了群擴散係數，等等。
此外，在巨觀中子物理研究中發展起來的脈衝中子源方法，它的基本思想和某些實驗技術已被用在其他領域，例如在反應堆物理實驗中，用以測定反應堆的次臨界度，這方面的工作十分活躍。在工業上巨觀中子物理參量及其有關的測試技術已被用來檢驗堆用慢化劑的核性能，脈衝中子源技術還用在石油地質勘探中，並取得了積極的成效。
目前，在巨觀中子物理這個領域內，研究課題已經深入了一步，針對媒質的具體結構和特性，探討一些基本問題。例如，研究媒質的幾何結構和物質結構對中子巨觀行為的影響。首先，在空腔內中子的巨觀截面趨向於零。這意味著中子的平均自由程為無限大，如果在媒質內有空腔，它對某些中子將成為陷阱，如果空腔是開口的，還會造成中子丟失。而實際的反應堆總會有這種或那種空腔存在。其次，研究中子同靶核的相互作用時，最簡單的方法是假定靶核原子是自由的，而事實上物質總是有一定結構的，例如石墨中的碳原子，氫化鋯中的氫原子，它們都處在點陣的束縛狀態，水中的氫原子也是處在化學鍵的束縛之中。物質的結構將影響靶核和中子之間的能量交換形式,進而將影響中子的巨觀行為,影響描述巨觀行為的物理參量。對這些基本問題的進一步研究，將有助於深化人們對中子在大塊物質中的運動規律的認識，也將有助於反應堆物理計算的精確化。
參考書目
　盧希庭主編：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
　謝仲生等編著：《核反應堆物理分析》，原子能出版社，北京，1981。

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