中性子捕獲

中性子捕獲

中性子捕獲（ちゅうせいしほかく）とは、原子核物理学の分野で見られる核反応の一種です。この反応には、中性子が原子核に取り込まれた後、ガンマ線を放出する過程が含まれています。英語では「neutron capture」と呼ばれ、特に(n, γ)反応としても知られています。

概要

中性子は、陽子と一緒に原子核を構成する核子の一つであり、陽子とほぼ同じ質量を持ちながら電気的な荷を持っていません。これによりクーロン力による斥力を受けず、原子核に対して強い相互作用を示します。この特性から、中性子は核反応を引き起こしやすいのです。

中性子による核反応には主に二つの種類があります。それは、吸収反応と散乱反応ですが、ここでは吸収反応に焦点を当てます。具体的には、水中を通過する中性子がどのように反応するかを見てみましょう。

例えば、次のような反応が考えられます：

$$\text{{}^{1}_{1}H + {}^{0}_{1}n \rightarrow {}^{1}_{2}H + \gamma}$$

この反応では、水素原子核が中性子を吸収し、重水素に変化するとともに、ガンマ線を放出しています。この中性子吸収によって放射線を発生させる核反応のことを、一般的に中性子捕獲または放射捕獲と呼びます。構式で表すと、次のようになります：

$$\text{{}^{1}_{1}H(n, \gamma){}^{1}_{2}H}$$

このように表記され、反応の特性を示しています。中性子捕獲によって放射能を持った原子が作成されるため、原子炉やサイクロトロンで人工的に放射性物質を生成することも可能です。

中性子束の小さい場合の反応

もし中性子束が小さな環境、つまり原子炉内部のような条件下にある場合、1個の中性子が原子核に捕獲されることがあります。例えば、金の原子核（Au197）に中性子が照射されると、次の反応が生じます：

$$\text{{}^{197}Au(n, \gamma){}^{198}Au}$$

この phản ứng では、中性子が金197を重励起状態の金198に変え、その後すぐにガンマ線を放出して基底状態へと戻ります。この過程で原子核の質量数が1増加します。特に、熱中性子が捕獲されるこの反応は、熱中性子捕獲（thermal neutron capture）として知られています。金198はその後、ベータ崩壊を起こし、水銀198に変わります。この変化によって、原子番号も1増加します。

中性子捕獲の応用

中性子捕獲反応は、物質の化学組成を間接的に把握するための方法として広く利用されています。具体的には、異なる元素が中性子を吸収した際にそれぞれ特有の放射線を発生させる特性を活用します。これにより、地下資源の探査やセキュリティ関連など、様々な分野で応用されています。

さらに、高速増殖炉においてウラン238に中性子を照射し、プルトニウムを生成することも知られています。近年では、一般的な元素や核廃棄物に中性子を照射してレア元素に変換する研究も進行しており、さらには、学者たちが地球には存在しない超ウラン系列の元素を人造合成するのにも中性子捕獲が利用されています。

このように、中性子捕獲は原子核物理学における基本的かつ重要な現象であり、その理解は様々な科学技術の発展に寄与しています。

もう一度検索