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中子与物质相互作用决定于中子与原子核之间的核力。中子与电子之间的磁(矩)作用非常小，一般可以忽略。中子与原子核之间的核力主要由中子与核内质子之间以及中子与核内中子之间作用力组成。作用力的强或弱，首先决定于作用距离。一般发生在10-13cm之间，其次是决定于相互之间的自旋取向，其实质类似一种引力。所以，原则上讲任何能量中子与物质作用，形成复合核的可能性都比较大。实际上低能量的(或称低速度)中子(例如10eV)与原子核相碰撞时，具有很大几率被原子核俘获，形成复合核。

中子被原子核俘获后，形成具有复合核的激发能(E核)为

核辐射场与放射性勘查

式中：M为碰撞核的质量；m为中子质量；εn为中子在复核内的结合能；E为碰撞前中子的动能。受激复合核通过发射粒子(带电粒子或中子)或发射γ量子或发生核裂变，跃迁到具有较低能级的基态。

由此可见，无论发生哪种核反应的几率都与能量特征有关。例如，当发射粒子(p，α，n)的结合能(εx)小于复核的激发能(E核)时，原子核才有可能在俘获中子后发生发射粒子的核反应。也就是

核辐射场与放射性勘查

式中：Q 为核反应能量；当 Q ＞0 时称放热核反应；当 Q ＜0 时，称吸热核反应。发射带电粒子的(n，p)和(n，α)核反应，可以是吸热反应也可以是放热反应。

对中子来讲，其反应截面一般与1/v成正比(v为慢中子速度)。慢中子碰撞引起发射带电粒子核反应必须是放热反应。反应能量(Q)必须足够大，才能使带电粒子有相当大的核库仑势垒穿透率。势垒高度近似与原子序数Z2/3成正比。这个条件把慢中子引起带电粒子核反应限制在轻元素核范围内。

原子核对中子来讲没有势垒，俘获中子后的复合核，可以发射任何能量的中子，都是几率极大的作用过程。其发射中子的几率与入射中子的速度成正比，也就是与中子能量的平方根(E1/2)成正比。

任何能量中子，都能与任何原子核作用(除氦核，即α粒子)进行辐射俘获(n，γ)反应。根据核能级的级联关系，可以发射一个或几个能量γ量子。由于发射中子核反应的竞争，辐射俘获的几率很小，只有较低能量的入射中子才有利形成辐射俘获。中子能量越低(n，n)反应的几率越小；而(n，n′)和辐射俘获反应的几率占优势[而非弹性散射(n，n′)反应也常常伴随γ射线的发射]。

从原理上讲，质量数A＞100的核都可以看成是亚稳态。如果给原子核以足够的能量，这些原子核都能进行裂变。这个能量叫做激活能，激活能大的核裂变几率就小。只有某些具有低激活能的最重的原子核，裂变几率才是最大的。核裂变反应，总是和(n，n)、(n，n′)反应以及辐射俘获(n，γ)同时发生。

(一)散射作用

能量适当的中子和原子核碰撞后，发射的仍然是中子称为散射作用。如果发射的中子能量与入射中子能量相等，叫弹性散射。如果发射中子能量有损失，称之为非弹性散射。弹性散射主要是两种作用的叠加：第一种是中子与(比中子质量大很多的)重原子核作用时，原子核基本上没有反冲，中子基本没有能量损失。称势散射或形态散射，其散射截面用σ形表示。第二种是中子进入原子核后形成复核，使核处于激发态。在放出能量相当于入射中子能量的中子后，又重新回到稳定状态。其入射和发射中子是能量守恒的。构成类似中子散射，其散射截面用σ发表示。总的弹性散射截面为：σ总=σ形+σ发。从核反应意义来讲，可写为(n，n)。

根据能量和动量守恒原理，碰撞后反冲核能量为

核辐射场与放射性勘查

式中：EM反冲核动能；En和En′为碰撞前后中子的动能；M为反冲核质量；m为中子质量，φ为核反冲角。由此可见，散射原子核质量越接近中子质量，反冲角越小(即散射角越大)则中子能量损失越大。如中子被质子(氢核)散射，平均一次碰撞损失能量的一半，且散射角近90°时，中子能量几乎全部损失。

当中子能量大于核激发能EL时，一个中子与核碰撞，被核吸收后在极短时间内发射一个能量较低的中子，中子损失的能量（ ）使原子核激发。这样的过程叫非弹性散射，可写为(n，n′)。

核辐射场与放射性勘查

式中：Eγ为核激发态与基态的能量差。

产生非弹性散射的激发态原子核常常是通过发射一定能量的γ射线而释放能量，回到基态。表2-3-2为几种非弹性散射核的γ射线数据。中子与12C和16O原子核的非弹性散射作用，同时发射的γ射线(表2-3-2)，能量差别较大，很容易探测。在石油勘探与开采中，用中子γ能谱测井，根据碳/氧比划分油水分界面，以及煤田勘探中的中子γ测井(参见图5-7-11)就是以此为理论依据。

表2-3-2 部分轻元素中子非弹性散射截面与发射的主要γ射线能量

地球物理现场使用的都是快中子源，能量较高，都在2MeV 以上。通过地层物质，与原子核发生弹性、非弹性散射，而损失能量。根据计算，中子与靶原子核的每次碰撞，平均能量损失（ ）为

核辐射场与放射性勘查

式中：A为靶原子核的质量数；E0为中子初始能量。对于氢原子核A=1，每次碰撞平均能量损失一半；与碳原子核碰撞一次，损失能量14%；与A=207的重元素铅原子核碰撞一次，损失能量约为万分之一。中子能量低，运动速度慢，所以轻元素物质，如水与碳氢化合物是良好的中子减速剂(慢化剂)。地层对中子的减速能力，主要与水含量关系密切。根据中子减速理论，可以计算不同物质对中子的减速能力，即减速长度。表2-3-3是Marshak .计算的若干物质减速长度。地层的其他岩石组成物质减速能力比水小1～2个数量级，因此地层的宏观减速能力近似等于地层孔隙中水或石油的减速能力。从快中子能量减速到热中子能量()，所需要的时间称减速时间。水中减速时间约为10-5s。热中子从产生到被俘获所需要的时间，称热中子在地层中的寿命；与地层中氯含量关系密切，是划分油水界面的依据。

表2-3-3 中子能量从E0变到E=时的减速长度

(二)辐射俘获

原子核俘获中子后形成的激发态的复核系统，在极短时间内放出一个或几个γ光子的辐射衰变回到基态，这样的反应过程叫辐射俘获，表示为(n，γ)。(n，γ)反应与非弹性散射(n，n′)，发射其他粒子核反应以及发生核裂变等反应是相互竞争的，对不同能量中子各有优势。发射带电粒子的条件是当粒子的激发能量比粒子的结合能量大时才有可能。中子的辐射俘获和散射之间的竞争，只有当中子能量非常小，仅等于或小于10eV数量级时，才有利于产生辐射俘获。随着中子能量增大，辐射俘获几率减小。

252Cf中子源经过慢化使中子能量降低，作为辐射俘获的中子源是非常有利的。用于辐射俘获γ能谱测井，可以一次测量多种元素，成为元素测井的主要方法。对绝大多数元素来讲，辐射俘获产生的γ射线能量大于3MeV，较天然核素高很多，不易受到干扰。表2-3-4为几种辐射俘获元素的参数。

表2-3-4 中子俘获γ射线能量及灵敏系数

中子辐射俘获很像X射线荧光，在激发的同时进行γ能谱测量。比常规中子活化速度快。也像中子活化一样，分析元素的灵敏度各不相同。如果使用高能量分辨率半导体探测器，可达微量级。

每个元素的中子辐射俘获和中子能量以及核反应截面关系密切。用于进行元素分析的灵敏度，常用灵敏系数来表示。即s=Iσ/A。式中I为俘获每100个中子产生的γ射线数，σ为反应截面(10-28m2)，A为原子量(表2-3-4)。

中子辐射俘获可用于测井，称为元素测井；可用于深海(5～6km)海底，进行连续测量，探查锰结核的分布；也可以作为中子活化分析的一个特殊方法。

(三)发射带电粒子的核反应

从快中子到热中子与原子核发生碰撞，使稳定原子核发射带电粒子，最主要的核反应有(n，p)，(n，α)。这些核反应都伴随有γ射线发射，是中子活化分析和中子活化测井的基本依据。

(四)核裂变反应

中子与重原子核碰撞，使重原子核分裂(n，f)，释放出中子(几个中子)，绝大多数为瞬发(10-8s)中子；也有极少数()重核，经过一段时间之后发射中子，称缓发中子。如快中子(En＞1MeV)和热中子作用下238U和235U产生裂变反应，产生六组不同能量不同半衰期的缓发中子可以用来直接探测矿石中铀和钍的含量。