نیوٹرون کروس سیکشن

نیوٹرون کراس سیکشن ذراتی اور نویاتی طبیعیات میں نیوٹرون اور ایٹمی مرکزے (nucleus) کے درمیان تعامل ہونے کے امکانات کو ظاہر کرتا ہے۔ کراس سیکشن جتنا بڑا ہو گا کسی تعامل ہونے کا امکان اتنا ہی زیادہ ہو گا۔ اسے barns میں ناپا جاتا ہے۔
ایک بارن ^24-10 مربع سنٹی میٹر (cm²) کے برابر ہوتا ہے۔ اگر تصوراتی طور پر کسی بھاری ایٹمی مرکزے کو درمیان سے کاٹا جائے تو کٹی ہوئی سطح کا حقیقی رقبہ اس مقدار کا لگ بھگ دگنا ہوتا ہے یعنی بھاری ایٹمی مرکزے کی جسامت دو بارن ہوتی ہے۔ لیکن کسی نیوٹرون کے ساتھ کسی ایٹمی مرکزے کے تعامل ہونے کا کروس سیکشن 0.001 سے لے کر 1000 بارنز تک ہو سکتا ہے یعنی تعامل کا کروس سیکشن حقیقی کروس سیکشن سے بہت چھوٹا یا بہت بڑا ہو سکتا ہے۔

بارن (barn) اس بڑے سے گھر کو کہتے ہیں جو گاؤں دیہاتوں میں فصلوں کو ذخیرہ کرنے کے لیے بنایا جاتا ہے۔ مناسب توانائی کے نیوٹرون کے سامنے یورینیئم²³⁵ کا مرکزہ اس طرح برتاو کرتا ہے جیسے اس کی جسامت 687 بارن ہو۔ حالانکہ یورینیئم²³⁵ کی حقیقی جسامت صرف 1.87 بارنز ہوتی ہے۔ یعنی یہ مرکزہ آس پاس سے گزرنے والے نیوٹرون کو بھی اپنی طرف کھینچ لیتا ہے بشرطیکہ ان کی توانائی مناسب ہو۔ اور اسی لیے ان تعاملات کے لیے بارن کا نام رکھا گیا۔ لیکن اگر نیوٹرون کی توانائی مناسب نہ ہو تو یہی مرکزہ اپنی اصل جسامت سے بھی چھوٹے ہونے جیسا برتاو کرتا ہے یعنی آنے والے بیشتر نیوٹرون مرکزے کے اندر سے آرپار گذر جاتے ہیں مگر ان کا مرکزے سے کوئی تعامل نہیں ہوتا۔

جب نیوٹرون کسی ایٹمی مرکزے سے تعامل کرتا ہے تو تین صورت حال ممکن ہیں۔

• نیوٹرون کی حرکت کی سمت بدل جائے۔ اسے اسکیٹرنگ (scattering) کہتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں نیوٹرون کی رفتار کم ہو جاتی ہے۔
• نیوٹرون مرکزے میں جذب ہو جائے اور مرکزہ نہ ٹوٹے۔ اسے کیپچر (capture) کہتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں گاما ریز خارج ہوتی ہیں۔
• نیوٹرون مرکزے سے ٹکرا کر اسے توڑ دے۔ اسے فشن (fission) کہتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں نیوٹرون خارج ہوتے ہیں۔

		تھرمل نیوٹرون کا کراس سیکشن (barn)			تیز رفتار نیوٹرون کا کراس سیکشن (barn)
		اسکیٹرنگ	کیپچر	فشن	اسکیٹرنگ	کیپچر	فشن
سست کنندہ نیوٹرون (moderator)	ہائیڈروجن1	20	0.2	-	4	0.00004	-
	ڈیوٹیریئم	4	0.0003	-	3	0.000007	-
	کاربن	5	0.002	-	2	0.00001	-
ری ایکٹر کے تعمیراتی اجزا	زرکونیِئم-90	5	0.006	-	5	0.006	-
	لوہا-56	10	2	-	20	0.003	-
	کرومیئم-52	3	0.5	-	3	0.002	-
	نکل-58	20	3	-	3	0.008	-
	آکسیجن-16	4	0.0001	-	3	0.00000003	-
جاذب نیوٹرون	بورون-10	2	2,000	-	2	0.4	-
	کیڈمیئم-113	100	30,000	-	4	0.05	-
	زینون-135	400,000	2,000,000	-	5	0.0008	-
	انڈیئم-115	2	100	-	4	0.2	-
جوہری ایندھن	یورینیئم-235	10	60	300	4	0.09	1
	یورینیئم-238	9	2	0.00002	5	0.07	0.3
	پلوٹونیئم-239	8	0.04	0.07	5	0.05	2

اس جدول سے واضح ہے کہ

• تیز رفتار نیوٹرون کسی بھی چیز میں با آسانی جذب نہیں ہوتے۔ بہت کم مقدار میں یہ بورون اور انڈیئم میں جذب ہوتے ہیں۔
• تھرمل نیوٹرون (یعنی سست رفتار نیوٹرون) سے توڑنے کے لیے یورینیئم235 سب سے بہتر ہے۔ (نیوکلیئر ری ایکٹر میں یورینیئم235 کو توڑنے کے لیے 0.025 الیکٹرون وولٹ کی توانائی کا نیوٹرون سب سے زیادہ کارآمد ہوتا ہے۔ اس توانائی پر نیوٹرون کا ٹمپریچر صرف 20 ڈگری سنٹی گریڈ ہوتا ہے یعنی کمرے کے درجہ حرارت کے برابر۔ اسی لیے اسے تھرمل کہتے ہیں۔)
• یورینیئم238 کو تیز رفتار نیوٹرون سے توڑنا 15000 گنا زیادہ آسان ہے، بہ نسبت سست رفتار نیوٹرون سے توڑنے کے ۔
• زینون تھرمل نیوٹرون کے لیے سب سے بہتر جاذب ہے لیکن تیز رفتار نیوٹرون کے لیے نہیں۔ (زینون تھرمل نیوکلیئر ری ایکٹر کے لیے زہر قاتل ہے۔)
• آکسیجن اور ڈیوٹیریئم تیز رفتار نیوٹرون جذب نہیں کر سکتے۔
• دھاتوں میں زرکونیئم سب سے کم نیوٹرون جذب کرتا ہے اس لیے جوہری بجلی گھر کے ری ایکٹر چینل اسی دھات سے بنائے جاتے ہیں۔
• دھاتوں میں کیڈمیئم سب سے زیادہ تھرمل نیوٹرون جذب کرتا ہے اس لیے ایٹمی ری ایکٹر کی کنٹرول روڈز (control rods) اس سے بنائی جاتی ہیں۔ (نیوٹرون جذب کر کے کیڈمیئم گاما ریز خارج کرتا ہے۔ اگر نیوٹرون کی توانائی 0.4eV (یعنی اس کی رفتار 8.76 کلومیٹر فی سیکنڈ) سے زیادہ ہو تو کیڈمیئم اسے جذب نہیں کر پاتا)۔

کیڈمیئم¹¹³ کے نیوٹرون کروس سیکشن کے گراف سے اس کا cut-off واضح ہے۔

نیوٹرون کی رفتار اور توانائی

دس لاکھ الیکٹرون وولٹ (یعنی ایک میلین eV) کی حرکی توانائی رکھنے والے نیوٹرون کی رفتار 14,000 کلومیٹر فی سیکنڈ ہوتی ہے یعنی روشنی کی رفتار سے 20 گنا کم ہوتی ہے۔ ایسا نیوٹرون 15 سنٹی میٹر موٹی دھاتی چادر میں سے آرپار گزرنے میں لگ بھگ 11 نینو سیکنڈ کا وقت لیتا ہے۔ ایسے نیوٹرون یورینیئم235 کو نہیں توڑ سکتے۔ 40 لاکھ الیکٹرون وولٹ سے زیادہ توانائی والے نیوٹرون لیتھیئم⁷ کو توڑ سکتے ہیں۔
ایسا نیوٹرون جب دوسرے ایٹمی مرکزوں سے ٹکراتا ہے تو اس کی توانائی ہر ٹکر پہ کم ہوتی چلی جاتی ہے۔ یورینیئم238 کے لگ بھگ 1100 ایٹمی مرکزوں سے ٹکرانے کے بعد یہ نیوٹرون تھرمل ہو جاتا ہے۔ اب اس کی توانائی 0.025eV ہو جاتی ہے اور اب یہ یورینیئم235 کو باآسانی توڑ سکتا ہے۔

0.025 الیکٹرون وولٹ کی حرکی توانائی والا نیوٹرون 2 کلومیٹر فی سیکنڈ کی رفتار سے حرکت کرتا ہے اور 15 سنٹی میٹر موٹی دھاتی چادر میں سے 70 مائیکرو سیکنڈ میں گذر جاتا ہے۔

ان توانائیوں پر کلاسیکل فارمولے درست کام کرتے ہیں اور اضافیتی (relativistic) فارمولوں کی ضرورت نہیں پڑتی۔

مزید دیکھیے

کیپچر/ فشن تناسب

تھرمل نیوٹرون				اپی تھرمل نیوٹرون
σF فشن کروس سیکشن	σγ کیپچر کروس سیکشن	%	عنصر	σF فشن کروس سیکشن	σγ کیپچر کروس سیکشن	%
531	46	8.0%	233U	760	140	16%
585	99	14.5%	235U	275	140	34%
750	271	26.5%	239Pu	300	200	40%
1010	361	26.3%	241Pu	570	160	22%

• بریڈر ری ایکٹر
• ٹرائیٹیئم
• ڈیوٹیریئم
• لیتھیئم
• یورینیئم
• پلوٹونیئم
• فیوزر
• زینون
• فشن بمقابلہ فیوزن
• ایٹمی ماڈل کا ارتقا
• Binding energy
• جائنٹ ریزونینس