Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2009

Transkrypt

1 Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2009

2 część 8 reakcje jądrowe

3 od początku E.Rutherford, (Po, ZnS, transmutacja) 4 2 He N 17 8O + p (Q = MeV) 1932 protony z generatora C-W, bariera p + 7 3Li 4 2He + 4 2He (Q > 0) 1932 Chadwick: neutrony 4 2 He + 9 4Be 12 6C + n Be (,n) C 4 2 He + 9 5B 14 7N + n B (,n) N źródło neutronów Ra-Be

4 reakcje (cd) deuter d +d 3 1H + p d +d 3 2He + n (Q = 4.03 MeV) (Q = 3.27 MeV) tryt n + 6 3Li 3 1H + 4 2He 3 1 H + 2 1H n + 4 2He (Q = MeV) wysokoenergetyczne neutrony

5 reakcje (cd) fotoreakcja +d n + p (Q = MeV) sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 4 2 He Al 30 15P + n (Q = MeV) P 30 14Si + e + + e B 13 7N + n d C 13 7N + n p C 13 7N N 13 6C + e + + e

6 reakcje (cd) wychwyt neutronu E.Fermi n Al 24 11Na Na 24 12Mg + e + e reakcja aktywacji n Ag Ag Ag 24 12Mg + e + e

7 rozszczepienie n U U U Np + e + e transuranowce 1938 L.Meitner i O.Frish

8

9 reakcja rozszczepienia

10

11 reakcja łańcuchowa 235 U 0,72%

12

13 bilans energia kinetyczna jąder produktów energia wynoszona przez neutrony energia natychmiastowych kwantów energia rozpadów jąder promieniotwórczych razem 165 MeV 5 MeV 7 MeV 25 MeV 200 MeV spalanie węgla: 4 ev na atom (C + O 2 = CO 2 )

14 cd masa krytyczna spowalnianie 2 MeV > 0,1 ev

15 reaktor jądrowy

16 H 08:16: N

17 reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B +... a + A a + A a + A a + A* rozpraszanie elastyczne rozpraszanie nieelastyczne energie: niskie średnie wielkie ultrawielkie < 20 MeV do kilkaset MeV do kilku GeV

18 badamy: przekroje czynne, (E), d/d, d 2 /dde tożsamości cząstek (masa, ładunek, spin, parzystość) ekskluzywnie inkluzywnie charakterystyki kinematyczne (p t, p l, E, ) Y 1 2 ln E E p p l l

19 zasady zachowania i kinematyka reakcji A i = const Z i = const a + X Y + b A a + A X = A Y +A b v a Z a + Z X = Z Y +Z b gdy jądro tarcza spoczywa: M a M X LAB v b M b b Y M Y v Y

20 CM v o M a M a M X v a v b v' b v a vx b ' b v o M a CM M b M X v' b i i E p i i f f E p f f M Y v' Y ' Y ' b i m E 0i c 2 m c 0 i 2 T i T f m 0f c 2 f T f

21 energia reakcji i i f f f f i i T T c m c m Q Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: pc m c m c E m c T m c E m p m c T cos m c E T T M M M M M T M M T Q i i j i j j i i

22 moment pędu i parzystość zasada zachowania momentu pędu c f b Y i a X J l J J l J J zasada zachowania parzystości c l b Y l a X f i 1 1

23 a + A Z X C* C * + jądro złożone b 1 + Y 1 + b 2 + Y 2 + [X(a,b)Y] = a b / = b np.: 4 2 He Ni Zn + 2n Zn* p Cu Zn + n

24 cd rozkład energii Maxwella: N E de ~ Ee N E E ln const E T temperatura jądra? izotropia? T (5,200) MeV E T de

25 reakcje bezpośrednie 2 H 1 H b 16 O 17 O stripping: d + 16 O p + 17 O (Q=1.92 MeV)

26 cd twarde widma z ostrym maksimum anizotropowy rozkład kątowy słaba zależność od energii początkowej reakcja jednoetapowa, peryferyjna pick-up, kick-off

27 paliwo gwiazd cykl protonowy p + p d + e + + (+ 0,42 MeV) (+ 1,02 MeV) p + d 3 He + (+ 5,49 MeV) 3 He + 3 He 4 He + p + p (+12,86 MeV) dominuje gdy T < 1,5 * 10 7 K (+26,7 MeV)

28 cykl wodorowy

29

30 cykl węglowo-azotowy p + 12 C 13 N + (+1,94 MeV) 13 N 13 C + e + + (+1,20 MeV) p + 13 C 14 N + p + 14 N 15 O + (+7,55 MeV) (+7,29 MeV) 15 O 15 N + e + + (+1,73 MeV) 12 C jest tu katalizatorem p + 15 N 12 C + 4 He (+5,49 MeV)

31 cykl C-N-O

32 a cięższe pierwiastki? wypalenie wodoru kolaps (grawitacyjne zapadanie) T 10 8 K paliwo helowe gwiazd: 4 He + 4 He 8 Be + (-96 kev) 4 He + 8 Be 12 C + 4 He + 12 C 16 O + (t (Be) 1/2 = 26*10-16 s, ale równowaga dynamiczna) dalej kolaps i paliwo węglowe itd, itd, aż do?

33 C + C

34 a jeszcze cięższe? w trakcie spalania helu pojawiają się neutony, np: 3 He + 13 C 16 O + n i możliwy staje się radioaktywny wychwyt neutronu: n + 56 Fe 57 Fe n + 57 Fe 58 Fe n + 58 Fe 59 Fe 59 Fe 59 Co + e - + ~ ~ n + 59 Co 60 Co 60 Co 60 Ni + e - +

35 procesy slow i rapid itd, itd proces slow, rozpad wyprzedza wychwyt kolejne wychwyty neutronów wytwarzają cięższe jądra a kolejne rozpady sprowadzają je na ścieżkę a skąd biorą się najcięższe pierwiastki - promieniotwórcze? supernowa! proces rapid, jądra silnie n-nadmiarowe

36 synteza jądrowa 3 2 He + n (+3,25 MeV) d + d 3 1 H + p (+4,03 MeV) d H 4 2 He + n (+17,6 MeV) 3,5 + 14,1 domieszka deuteru w wodorze w oceanach: 0,015% ale bariera kulombowska wymaga nadania deuteronom energii kinetycznej E k 0,01 MeV (120 MK)

37 fuzja reakcja termojądrowa T 10 9 K (50T ) T 10 7 K jest to całkowicie zjonizowana plazma bomba H (wodorowa) U D + Li trotyl kontrolowana synteza jądrowa?

38 Ivy Mike Atol Enewetak (E.Teller, S.Ulam)

39 Atol Bikini y?docid= , Castle Bravo, 15 Mton

40 tokamak pole toroidalne pole poloidalne pole typu tokamak тороидальная камера в магнитных катушках I.Tamm, A.Sakharov

41 ITER

42 nuclear fusion supernova thermonuclear explosion hydrogene bomb, Teler-Ulam device, Tsar-bomb 50 Mton, Novaya Zemlya, , Ivy Mike, Atoll Enewetak controlled fusion, fusion pawer stellar nucleosynthesis Coulomb barrier Lawson criterion tokamak toroidal,m doughnut agnetic field plasma exathermic process self-sustaining reaction serface area to volume ratio proton-proton chain CNO cycle lithium deuteride mushroom cloud radioactive contamination gloss

43