중성자 선원과 중성자의 특성 및 분류

중성자선과 물질과의 상호작용은 베타선과는 전혀 다릅니다. 중성자는 전하를 띠지 않으므로 쿨롱력이 작용하지 않아 다른 입자들에 비해서 쉽게 원자핵과 상호작용 할 수 있습니다. 따라서 원자를 전리시키지 않고 원자핵의 산란이나 흡수반응이 일어나는데, 중성자의 속도에 따라 물질과의 상호작용이 크게 달라집니다. 중성자의 에너지가 매우 큰 경우는 표적 물질의 원자핵을 쪼개기도 합니다.

 

중성자 선원과 중성자의 특성 및 분류

 

중성자 선원

 

 

중성자의 발생원으로는 방사성 동위원소, 입자가속기 또는 원자로가 이용됩니다. 이들 중 어느 것을 이용해도 중성자는 반드시 핵반응에 의해서 얻어지는 것입니다. 다시 말하면 방사성 동위원소에서 방출되는 방사선에 의한 핵반응, 입자가속기에서 가속된 하전입자에 의한 핵반응 및 원자로에서의 핵분열에 의해서 자유중성자를 얻을 수 있습니다.

 

 

방사성 동위원소의 이용

 

 

중성자를 얻기 위한 핵반응은 알파선이나 감마선을 방출하는 자연 또는 인공방사성 원소를 이용합니다. 또한 자발적인 핵분열로 중성자를 얻을 수 있는 방사성 원소도 있습니다. 그러나 베타선을 방출하는 방사성 원소는 사용하지 않습니다. 베타선은 물질 내에서 상호작용을 하여 제동 복사선을 발생시키기 때문입니다.

 

자발핵분열

 

많은 초우라늄 원소들은 자발적으로 핵분열하여 고속중성자를 방출하는데, 캘리포늄이 대표적인 자발핵분열의 중성자 선원으로 이용되고 있습니다. 캘리포늄의 97%는 알파붕괴를 하여 퀴륨으로 변하지만, 3%는 자발적으로 핵분열하여 중성자를 방출합니다. 캘리포늄은 많은 양의 중성자를 방출하므로 강력한 중성자 선원으로 사용됩니다. 캘리포늄에서 방출된 중성자의 에너지 스펙트럼은 대략 1MeV에서 최대 강도를 나타내고 최고 8~10MeV까지 존재합니다.

 

(a, n) 반응

 

방사성 붕괴에서 방출된 입자를 표적 핵에 충돌시켜서 중성자를 얻을 수 있는 중성자 선원이 있습니다. 알파선은 비정이 짧기 때문에 방출체를 표적 물질에 섞어서 혼합물로 제 사용합니다. 표적 물질로는 주로 베릴륨이나 붕소가 사용되지만, 이외에 탄소, 불소, 리튬 등도 사용됩니다. 중성자 선원에서 방출된 중성자의 에너지 스펙트럼에서 에너지 분포가 다양한 이유는 베릴륨 핵에 알파입자를 충돌시켜서 생성된 탄소 핵이 전부 바닥 상태로 되는 것이 아니고 일부는 들뜬 상태로 되어 그만큼 반응에너지가 작아지기 때문이며, 또 다른 이유는 입자가 베릴륨 핵과 작용하여 역반응을 일으키는 것보다 전자와 작용하여 에너지를 손실하는 경우가 더 많아서 핵반응을 일으키기 전에 여러 형태로 에너지를 손실하게 되므로 처음에 일정한 에너지가 알파입자일지라도 핵반응을 일으킬 때는 에너지 준위가 다양하기에 방출된 중성자의 에너지도 다양해집니다.

 

광중성자 선원

 

방사성 원소에서 방출되는 감마선을 표적 핵에 조사하여 중성자를 얻을 수도 있습니다. 표적 핵이 감마선을 흡수하면 들뜬 상태가 되고 그 들뜸에너지에 의해서 중성자가 방출됩니다. 이같이 광자를 흡수하여 자유중성자를 방출하는 선원을 광중성자 선원이라 합니다. 이 반응에서는 감마선의 에너지가 반응을 일으킬 수 있는 문턱에너지보다 커야 합니다. 따라서 이 반응을 일으키는 표적 핵은 중수소나 베릴륨의 원자핵뿐입니다.

 

 

가속기의 이용

 

 

방사성 물질에서 나오는 알파선이나 감마선에 의해 얻을 수 있는 중성자의 에너지나 강도에는 한계가 있으므로 가속기에서 가속된 하전입자에 의한 핵반응을 이용하면 일정한 에너지의 강한 중성자를 얻을 수 있습니다. 가속 하전입자로는 양성자나 중양성자를 이용하며, 이들을 표적 원자핵과 충돌시켜 중성자를 얻는다. 입자가속기엔 여러 가지 종류가 있으나 실질적으로는 소형 사이클로트론이 가장 많이 사용되고 있습니다. 또한 전자가속기에서 제동복사를 통해 얻은 고에너지의 X선을 사용해 핵반응을 일으킴으로써 중성자를 얻을 수 있습니다.

 

 

원자로의 이용

 

 

중성자를 가장 많이 얻을 수 있는 것은 원자로입니다. 원자로는 핵분열의 연쇄반응을 일으키도록 하는 장치로써 우라늄의 핵분열이 한 번 일어날 때마다 중성자가 2~3개 생긴다. 원자로 노심에서 방출된 중성자의 에너지는 약 15MeV로 높기에 표적 핵에 중성자가 쉽게 흡수되도록 에너지를 저하하게 만드는 감속재를 사용하여 열중성자로 만듭니다.

 

 

중성자의 특성과 분류

 

 

중성자는 원자핵의 구성요소의 하나로서 정지질량은 전자의 약 2배로 양성자보다 약간 크고 전기적으로는 중성입니다. 핵 내의 중성자와 양성자는 핵력에 의해서 단단히 결합해 있습니다. 이같이 핵 내의 중성자는 안정한 입자로서 존재하나, 단독으로 존재하는 자유로운 중성자는 불안정하여 다른 핵에 흡수되거나 붕괴하면서 중성자가 양성자, 전자와 반중성미자로 변합니다.

 

자유 중성자의 반감기는 12분 정도입니다. 중성자는 보통 에너지나 속도에 따라 분류되나 분류의 경계가 분명하게 정해져 있지 않습니다. 중성자는 물질 내에서 원자핵과 여러 번 충돌하여 운동에너지를 잃고 상온의 물질 속의 원자 열운동과 평형을 이룹니다. 이 중성자를 열중성자라 하며, 열중성자는 핵에 쉽게 흡수되어 핵반응을 일으키므로 많이 이용됩니다. 20°C에서 열중성자의 평균 에너지는 0.025 eV입니다. 0.025 eV를 가진 열중 성자가 되면 물질 속의 원자와 열평형을 이루므로 실내 온도에서 그 이하로 에너지를 내리는 것은 불가능합니다. 열평형을 이룬 중성자의 에너지는 맥스웰 분포를 띠며, 이 값은 볼츠만 방정식으로부터 얻는다. 열중성자의 에너지는 물질의 절대온도에 비례합니다.