Sección transversal nuclear

La sección transversal nuclear de un núcleo es un concepto utilizado para describir la probabilidad de que ocurra una reacción nuclear. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Se puede cuantificar físicamente como "área característica", denotada como${\displaystyle \sigma }$, donde un mayor${\displaystyle \sigma }$significa una mayor probabilidad de interacción. La unidad estándar para${\displaystyle \sigma }$es el granero (10 ⁻²⁸  m ² ,10 ⁻²⁴  cm ² o100  fm ² ).

Las secciones transversales pueden medirse para todos los procesos de interacción posibles en conjunto, en cuyo caso se denominan secciones transversales totales, o para procesos específicos, distinguiendo entre dispersión elástica e inelástica . Entre los procesos de dispersión inelástica, las secciones transversales de absorción de neutrones revisten especial interés.

En física nuclear, es convencional considerar las partículas incidentes como partículas puntuales con diámetro despreciable. Las secciones transversales se pueden calcular para cualquier proceso nuclear, como la captura, la dispersión, la producción de neutrones o la fusión nuclear . En muchos casos, el número de partículas emitidas o dispersadas en los procesos nucleares no se mide directamente; simplemente se mide la atenuación producida en un haz paralelo de partículas incidentes por la interposición de un espesor conocido de un material particular. La sección transversal obtenida de esta manera se llama sección transversal total y generalmente se denota por una${\displaystyle \sigma }$o${\displaystyle \sigma _{T}}$.

Los radios de los protones y neutrones son del orden de 10⁻¹⁵ ^m . Suponiendo una forma esférica para un núcleo con aproximadamente 200 nucleones, su radio sería de unos 5 radios. Por lo tanto, esperamos que las secciones transversales para las reacciones nucleares sean del orden de 100 radios cuadrados, o10 ⁻²⁸  m ² = 1 barn. Las secciones transversales observadas varían enormemente: por ejemplo, los neutrones lentos absorbidos por el (n,${\displaystyle \gamma }$Las reacciones muestran una sección transversal mucho mayor que 1.000 barns en algunos casos (boro-10, cadmio-113 y xenón-135 ), mientras que las secciones transversales para las transmutaciones por absorción de rayos gamma están en la región de 0,001 barn.

Las secciones transversales nucleares se utilizan para determinar la tasa de reacción nuclear y se rigen por la ecuación de la tasa de reacción para un conjunto particular de partículas (generalmente consideradas como un experimento mental de "haz y blanco" donde una partícula o núcleo es el "blanco", que normalmente está en reposo, y el otro se trata como un "haz", que es un proyectil con una energía determinada).

Para interacciones de partículas que inciden sobre una lámina delgada de material (idealmente compuesta de un solo isótopo ), la ecuación de velocidad de reacción nuclear se escribe como:

${\displaystyle r_{x}=\Phi \ \sigma _{x}\ \rho _{A}=\Phi \Sigma _{x}}$

dónde:

• ${\displaystyle r_{x}}$ : número de reacciones de tipo x, unidades: [1/tiempo ⋅ volumen]
• ${\displaystyle \Phi }$ : flujo del haz, unidades: [1/área ⋅ tiempo]
• ${\displaystyle \sigma _{x}}$ : sección transversal microscópica para la reacción${\displaystyle x}$, unidades: [área] (generalmente graneros o cm ² ).
• ${\displaystyle \rho _{A}}$ : densidad de átomos en el objetivo en unidades de [1/volumen]
• ${\displaystyle \Sigma _{x}\equiv \sigma _{x}\ \rho _{A}}$: sección transversal macroscópica [1/longitud]

Los tipos de reacciones que se encuentran con frecuencia son : dispersión,${\displaystyle \gamma }$: captura radiativa, a : absorción (la captura radiativa pertenece a este tipo), f : fisión, siendo la notación correspondiente para las secciones transversales:${\displaystyle \sigma _{s}}$,${\displaystyle \sigma _{\gamma }}$,${\displaystyle \sigma _{a}}$, etc. Un caso especial es la sección transversal total${\displaystyle \sigma _{t}}$, que da la probabilidad de que un neutrón sufra algún tipo de reacción (${\displaystyle \sigma _{t}=\sigma _{s}+\sigma _{\gamma }+\sigma _{f}+\ldots }$).

Formalmente, la ecuación anterior define la sección transversal macroscópica (para la reacción x) como la constante de proporcionalidad entre el flujo de partículas incidente sobre una lámina delgada de material y el número de reacciones que ocurren (por unidad de volumen) en dicho material. La diferencia entre la sección transversal macroscópica y la microscópica radica en que la primera es una propiedad de una porción específica de material (con su densidad), mientras que la segunda es una propiedad intrínseca de un tipo de núcleo.

• Sección transversal de neutrones
• Sección transversal de dispersión

• Análisis de reactores nucleares por James J. Duderstadt y Louis J. Hamilton - Publicado por John Wiley & Sons, Inc.
• Perkins, Donald H. (1999). Introducción a la física de altas energías . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0.
• Mubarakmand, Samar ; Masud Ahmad ; M. Anwar; MS Chaudhry (1977). "Mediciones de sección transversal con un generador de neutrones". The Nucleus . 42 ( 1– 2). Nilore, Islamabad: PINSTECH: 115– 185.