중성자와 물질의 상호작용 및 중성자 단면적

중성자와 물질의 상호작용 및 중성자 단면적

 

중성자선은 방사선 중 비하전 입자선의 가장 대표적인 예로 물질과 상호작용하여 여러 반응을 일으킵니다. 다만 전하를 갖고 있지 않기 때문에 알파선, 전자선, 베타선 등 여러 하전입자선과는 상호작용하는 방식이 다르게 됩니다. 이번 시간에는 중성자가 물질과 어떻게 상호작용하는지와 중성자의 단면적이 상호작용에 어떤 영향을 주는지를 알아봅시다.

 

 

중성자와 물질의 상호작용

 

 

중성자는 전하를 갖지 않기 때문에 물질을 직접 전리나 들뜸을 일으킬 수 없습니다. 전리나 들뜸에 의해서 에너지를 잃지 않으므로 동일 에너지의 하전입자보다 투과력이 강합니다. 한편 중성자는 에너지가 낮아도 양전하인 원자핵에 방해되지 않고 원자핵과 직접 충돌하여 핵과 반응을 일으킬 수 있습니다.

 

중성자선은 물질의 궤도전자와는 거의 작용하지 않고 핵에 아주 가까이 접근하여 물체의 원자핵과 중성자 사이에 상호작용이 일어납니다. 이 상호작용으로 중성자는 물체의 원자핵에 흡수되어 한 개 이상의 2차 방사선을 방출하거나 아니면 중성자의 에너지나 방향이 변하게 됩니다.

 

중성자의 2차 방사선은 거의 중하전입자입니다. 중성자선의 상호작용은 크게 산란과 흡수로 나뉘고 산란은 다시 탄성산란과 비탄성산란, 흡수는 중성자포획과 입자 방출, 핵분열로 나뉜다. 고속중성자는 산란하여 에너지를 잃고 흡수체와 열평형을 이루어 열중성자로 변하고 열중성자는 원자핵에 흡수되어 원자핵으로부터 하전입자나 핵분열을 일으킵니다.

 

 

비탄성산란은?

 

 

수 MeV 이상의 고속중성자에 의해서는 대부분 비탄성산란이 일어납니다. 중성자의 에너지가 증가함에 따라 핵반응을 일으킬 확률이 급격히 떨어지고, 충돌로 인하여 물질의 핵에 전달되는 에너지가 크기 때문에 비탄성산란을 일으킬 확률이 커집니다. 비탄성산란으로 고속중성자는 에너지를 잃고 감속되어 낮은 에너지 상태가 됩니다.

입사중성자가 물질의 원자핵과 충돌할 때 중성자가 가진 운동에너지 중 일부가 물질 원자핵의 내부에너지로 되어 충돌 전후의 운동에너지의 합이 보존되지 않는 경우를 비탄성산란이라 합니다. 이때 들뜬 상태로 된 원자핵은 짧은 시간 내에 높은 에너지의 선을 방출하고 바닥 상태로 되돌아갑니다. 이때 중성자가 손실한 에너지는 같은 조건에서 탄성산란에 의한 손실보다 큽니다.

 

비탄성산란을 일으키기 위해서는 핵을 들뜬 상태로 만들 수 있는 일정한 값의 최저 에너지가 필요합니다. 이 최저 에너지를 문턱에너지라 합니다. 문턱에너지는 무거운 핵일수록 적습니다. 탄성산란과 비탄성산란의 발생률은 들뜬 상태가 되는 에너지의 크기에 좌우됩니다. 무거운 원소에서 고속중성자의 산란은 주로 비탄성입니다. 하지만 비탄성산란은 상대적으로 발생 효율이 아주 낮아서 중성자검출에 거의 이용하지 않습니다.

 

 

중성자포획이란?

 

 

중성자포획은 보통 열중성자나 적은 에너지의 중성자에서 일어납니다. 중성자는 전하를 갖고 있지 않으므로 쉽게 핵력 범위 내에 들어와 물질 원자핵에 흡수되어 질량수가 1개 많아진 복합핵인 동위원소를 만듭니다. 이러한 상호작용을 중성자포획이라 합니다. 이렇게 하여 만들어진 동위원소는 방사성인 것이 대부분입니다.

 

중성자의 결합에너지에 상당하는 약 8MeV의 감마선을 방출하는데 이 선을 포획선이라 합니다. 방사성 동위원소는 들뜬 상태에서 즉각 또는 시간이 경과 된 후에 방사선을 방출하고 안정한 상태로 되며, 이들의 붕괴시간은 거의 0부터 수년에 이르기까지 다양합니다. 원자로에서 중성자포획 반응을 이용해서 많은 방사성 동위원소를 제조해 내고 있습니다. 중성자포획 후에는 중하전입자나 2개의 중성자를 방출하기도 합니다.

 

안정한 핵종의 원자핵에 중성자, 감마선, 하전입자 등을 조사하면 방사성 핵종이 되는데 이것을 방사화라고 하며, 방사화한 후 방사능을 분석하는 것을 방사화 분석이라고 합니다.

 

 

중성자의 탄성산란에 대하여

 

 

탄성산란은 고속중성자가 낮은 원자번호의 물질과 작용할 때 잘 일어납니다. 중성자가 흡수체의 원자핵과 충돌하여 중성자 운동에너지의 일부를 원자핵에 줍니다. 이때 충돌 전후의 운동량과 운동에너지가 보존되는 경우, 즉 원자핵의 recoil energy를 중성자로부터 얻지만, 핵을 들뜬 상태로 만들지 않아서 핵의 내부에너지가 불변인 경우를 탄성산란이라고 합니다. 탄성산란에서는 에너지 보존법칙에 따라 표적 핵에 준 운동에너지를 계산할 수 있습니다. 만일 중성자가 질량이 비슷한 표적 핵과 질량중심에 충돌한다면 대부분 같은 각도로 산란 됩니다.

 

중성자는 수소 원자와의 충돌로 많은 에너지를 잃을 수 있기 때문에 수소를 고속중성자의 차폐재로 사용하기도 합니다. 이렇게 운동에너지를 획득한 원자핵은 일반적으로 전리작용을 갖습니다. 한편 중성자는 여러 번의 충돌을 반복하여 점점 에너지를 잃고 나중에는 물질 중의 원자의 열운동과 평형상태가 되어 원자핵에 흡수됩니다.

 

일반적으로 가벼운 원자핵일수록 충돌로 큰 운동에너지를 얻을 가능성이 크기 때문에 가벼운 원자핵과의 탄성산란에 의해서 중성자는 에너지를 많이 손실하는 경향이 있습니다. 그러므로 가벼운 원자핵에서는 1회의 충돌로 큰 에너지를 잃으나, 무거운 원자핵과의 충돌에서는 적은 에너지를 잃으므로 열중성자가 되기까지는 충돌 횟수가 많습니다.

 

 

핵분열

 

 

핵분열은 중성자포획의 한 종류로서 중성자가 무거운 원자핵에 흡수되어 복합핵을 형성하였다가 어떤 방사선을 방출하면서 2개 이상의 핵분열조각으로 쪼개지는 현상입니다. 이들 반응은 흡열 또는 발열반응을 일으킵니다. 따라서 전체 분열 에너지는 약 200MeV 정도가 되며, 이 에너지는 핵분열 조각들의 운동에너지, 중성자, 중성미자, 베타선, 감마선 등의 에너지로 분배됩니다.

 

 

중성자 단면적

 

 

물질 내에서 하전입자의 투과는 비정으로 표현될 수 있으며, 전자기파의 투과는 감쇠지수 법칙에 의한 감쇠계수로 표현됩니다. 그러나 중성자의 투과는 간단하게 표현할 수 없습니다. 고속중성자가 산란할 때는 거의 에너지를 손실하지 않으며, 열중성자가 될 때까지, 원자핵에 포획될 때까지 또는 물질을 통과할 때까지 반복해서 산란을 일으킵니다. 그러므로 중성자의 투과를 비정의 개념으로 표현할 수도 없고, X선이나 감마선의 투과 정도를 나타내는 감쇠계수로도 나타낼 수 없습니다.

 

수천 개의 중성자를 이용하여 원자와 다양한 상호작용을 일으키는 각각의 중성자 수, 즉 상호작용의 중성자 단면적으로 표현합니다.

 

상호작용이 일어날 확률은 표적 단면적에 비례하기 때문에 단면적으로 표시될 수 있습니다. 중성자와 물질과의 상호작용 확률은 표적 핵의 단면적에 따라 달라집니다. 표적 핵의 단면적은 중성자의 상호작용 확률의 척도가 되며 이것을 미시적 단면적이라 합니다.

 

거시적 단면적은 입사입자가 물질 속에서 진행한 단위 거리당 상호작용의 횟수를 나타냅니다. 따라서 거시적 단면적의 역수는 높은 물질 내를 운동하는 중성자가 1회 충돌을 일으킨 후 다음 충돌이 일어날 때까지의 평균 이동 거리가 됩니다. 즉 평균 이동 거리는 중성자의 평균자유행로라 합니다. 또한 중성자 단면적은 중성자의 에너지는 물론 핵종에 따라 달라집니다.