中性子断面積とは
はじめに
中性子断面積は原子核物理学における基本的なパラメータであり、中性子と原子核の間の様々な相互作用の可能性を表す。これらの断面積を理解することは、原子炉の設計から医療や天体物理学的研究に至るまで、幅広い応用において極めて重要である。
中性子断面積は、中性子のエネルギーと中性子が原子核と受ける相互作用の種類によって変化する。これらの相互作用には散乱、吸収、核分裂があり、それぞれが異なる用途で重要な役割を果たしている。
中性子相互作用の種類
- 弾性散乱：中性子はエネルギーを失うことなく原子核と衝突し、方向を変える。
- 非弾性散乱：中性子が原子核にエネルギーを与え、励起する。
- 吸収：中性子は原子核に吸収され、放射性崩壊や核分裂に至る可能性がある。
中性子断面積の応用
中性子断面積は様々な応用において極めて重要である：
- 原子炉設計：正確な断面積データは、効率的で安全な原子炉運転を保証する。
- 医療：中性子治療は、がん細胞を標的とする正確な中性子相互作用に依存している。
- 天体物理学：恒星の核合成と中性子星の組成を理解する。
- 物質科学：中性子散乱技術を通して物質特性を調べる。
元素の中性子断面積表
元素の中性子断面積は、中性子がその元素の原子核と相互作用する確率を表しています。値は通常バーン(b)の単位で与えられ、ここで1バーン=10-2410^{-24}cm²です。断面積は核物理学、原子炉、放射線遮蔽などの分野で重要な特性です。
以下はいくつかの一般的な元素の中性子断面積の値を示した表で、入手可能な場合は全断面積、熱断面積、核分裂断面積に焦点を当てています。
|
元素 |
同位体 |
全断面積 (b) |
熱中性子断面積(b) |
捕獲断面積 (b) |
核分裂断面積 (b) |
|
水素 (H) |
水素-1 |
20.5 |
5335 |
0.33 |
0 |
|
炭素 |
カーボン12 |
1.7 |
2.2 |
0.0035 |
0 |
|
酸素 (O) |
酸素-16 |
0.02 |
0.0002 |
0.0001 |
0 |
|
ウラン (U) |
ウラン238 |
280 |
2.7 |
0.1 |
50 |
|
ウラン (U) |
ウラン235 |
1000 |
680 |
0.3 |
5800 |
|
トリウム (Th) |
トリウム232 |
36 |
5.7 |
0.1 |
0 |
|
プルトニウム (Pu) |
プルトニウム239 |
748 |
2.6 |
0.17 |
8400 |
|
ネプツニウム (Np) |
ネプツニウム239 |
71 |
16.5 |
0.2 |
1600 |
|
ホウ素 (B) |
ホウ素-10 |
384 |
3835 |
0.005 |
0 |
|
ホウ素 (B) |
ボロン-11 |
5.5 |
3.0 |
0.01 |
0 |
|
鉄 (Fe) |
鉄-56 |
2.6 |
2.2 |
0.02 |
0 |
|
コバルト |
コバルト-59 |
35 |
0.2 |
0.02 |
0 |
|
銅（Cu） |
銅-63 |
5.1 |
0.4 |
0.01 |
0 |
|
亜鉛 |
亜鉛-64 |
3.0 |
0.1 |
0.01 |
0 |
|
鉛 |
鉛-208 |
0.22 |
0.0004 |
0.01 |
0 |
|
ニッケル |
ニッケル-58 |
3.0 |
0.03 |
0.01 |
0 |
|
ケイ素 (Si) |
ケイ素-28 |
1.0 |
0.2 |
0.001 |
0 |
|
アルミニウム |
アルミニウム-27 |
1.6 |
0.3 |
0.002 |
0 |
|
マグネシウム (Mg) |
マグネシウム-24 |
3.2 |
1.0 |
0.02 |
0 |
|
カルシウム |
カルシウム-40 |
1.1 |
0.04 |
0.0008 |
0 |
|
アルゴン |
アルゴン40 |
0.04 |
0.006 |
0.0006 |
0 |
- 水素は非常に高い熱中性子断面積を持つため、中性子減速用途（原子炉の水など）に広く使用されている。
- ウラン235と プルトニウム239は非常に核分裂性の高い物質であり、原子炉や兵器に不可欠である。
- ホウ素は中性子捕獲断面積が非常に大きく、原子炉の中性子遮蔽材や制御棒に有用である。
- 鉛と 鉄は中性子相互作用断面積が小さく、放射線遮蔽材料として有効である。
- 詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
中性子断面積とは何ですか？
中性子断面積は、中性子が特定の原子核と相互作用する確率を定量化したもので、バーンと呼ばれる単位で測定されます。
なぜ中性子断面積は原子炉で重要なのですか？
中性子断面積は原子炉内での中性子の振る舞いを決定し、連鎖反応の持続性と原子炉の効率に影響を与えます。
中性子断面積はエネルギーによってどのように変化するのですか？
中性子のエネルギーによって支配的な相互作用が異なるため、エネルギー範囲によって断面積の値が異なります。
詳細な中性子断面積データはどこで入手できますか？
国立核データセンター(NNDC)のような核データベースや専門的な科学出版物に包括的なデータがあります。
中性子断面積は医療応用に使用できますか？
はい、健康な組織へのダメージを最小限に抑えながら癌細胞を標的とする中性子治療には不可欠です。
