Reakcje jądrowe. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Transkrypt

1 Reakcje jądrowe Reakcje w których uczestniczą jądra atomowe nazywane są reakcjami jądrowymi Mogą one zachodzić w wyniku oddziaływań silnych, elektromagnetycznych i słabych Nomenklatura Reakcje, w których wyniku tworzą się dwie cząstki są nazywane dwuciałowymi, trzy cząstki trzyciałowymi, itd.. Tradycyjnie reakcje badane były przez naświetlanie jąder atomowych próbki zwanej tarczą (target) przez padające cząstki tworzące wiązkę (beam). Wspólcześnie często stosuje się zderzenie cząstek z dwu wiązek wiązki przeciwbieżne Tradycyjny zapis reakcji to, gdzie A to tarcza, a cząstka z wiązki (projectile), b rejestrowana cząstka (ejectile), B jądro końcowe Gdy cząstki padające są spolaryzowane (kierunek ich spinów uporządkowany w przestrzeni) to stosuje się symbol a gdy rejestruje się polaryzację produktów to zaznacza się to następująco Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

2 Nomenklatura c.d. Partycja (partition) nukleonów, to każdy podział nukleonów zderzających się jąder na grupy o liczbach (A 1,Z 1 ), (A 2,Z 2 ) Kanał reakcji (reaction channel) to partycja plus informacja o pozostałych liczbach kwantowych charakteryzujących układ (spiny, parzystości, izospin, itd. ) W szczególności zderzające się jądra nazywane są kanałem wejściowym a rozlatujące kanałem wyjściowym reakcji. Reakcje są klasyfikowane ze względu na różne cechy jak np. liczba produktów (reakcje dwuciałowe, ), skutki reakcji itd. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 2

3 Nazwy ze względu na skutki reakcji Reakcje przegrupowania (rearrangement reactions) to reakcje zachodzące ze zmianą partycji: Rozpraszanie (scattering) to reakcje bez zmiany partycji przy czym Sprężystym rozpraszaniem (elastic scattering) nazywane są te reakcje gdzie jądra po reakcji są w stanie podstawowym a Niesprężystym rozpraszaniem (inelastic scattering) gdy przynajmniej jeden z produktów jest wzbudzony Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 3

4 Nazwy ze względu na sposób pomiaru Pomiar ekskluzywny to taki, że mamy pełną informację kinematyczną o wszystkich cząstkach, tzn. wiemy jakie to cząstki i jakie mają pędy i energie Pomiar inkluzywny to taki, w którym nie mamy pełnej informacji, np. rejestrujemy tylko niektóre produkty Pomiar absorpcyjny gdy wiemy, że padająca cząstka została zaabsorbowana (ubyła z wiązki) Pomiar absorpcyjny i ekskluzywny pozwala zmierzyć liczbę oddziaływań a inkluzywny tylko liczbę emitowanych cząstek tego rodzaju, które rejestrujemy Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 4

5 Całkowity przekrój czynny To podstawowa mierzalna wielkość interpretowana jako efektywna powierzchnia jądra widziana przez padającą cząstkę Jeżeli na próbkę ( tarczę ) pada wiązka o natężeniu A tarcza zawiera to w ciągu sekundy ubędzie z wiązki cząstek: Co uwzględniając, że może być zapisane jako grubość tarczy pomnożona przez gęstość tarczy Dostajemy po przekształceniach przepis na pomiar przekroju z badania osłabienia wiązki Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 5

6 Całkowity przekrój pomiaru inkluzywnego Gdy rejestrujemy cząstki typu b ( cząstek na sekundę), oraz Liczba padających cząstek na 1 cm 2 /sek wynosi a liczba cząstek w oświetlonej części tarczy o powierzchni S równa jest to inkluzywny przekrój wynosi Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 6

7 Należy rozróżniać oba przekroje UWAGA: w literaturze często nie podkreśla się o jakim przekroju mowa Związek między przekrojami i to Gdzie jest średnią krotnością cząstek emitowanych (i rejestrowanych) cząstek b Przekrój liczy liczbę oddziaływań a przekrój liczbę rejestrowanych cząstek Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 7

8 Różniczkowy przekrój czynny Określa ile cząstek b jest emitowanych w kąt bryłowy Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 8

9 Rozkład kątowy Dla niespolaryzowanych cząstek zależy tylko od kąta polarnego W odróżnieniu od całkowitego przekroju, który jest skalarem (nie zależy od układu) przekrój różniczkowy zależy od układu Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 9

10 Widmo energetyczne to zależność przekroju od energii produktu Może być dyskretne dyskretne i ciągłe Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 10

11 a także tylko ciągłe Au(p,Li) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 11

12 Krzywa wzbudzenia to Zależność przekroju (całkowitego lub różniczkowego) od energii padających cząstek gładka lub rezonansowa Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 12

13 Wzór Breita - Wignera W pobliżu rezonansu przekrój zależy od energii zgodnie ze wzorem B. W. gdzie to pęd C.M. padającej cząstki w jednostkach energia rezonansowa szerokości cząstkowe dla kanałów całkowita szerokość rezonansu Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 13

14 Interferencja rezonansu z tłem Wyidealizowana sytuacja pojedynczy rezonans Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 14

15 Przykład rezonansowych krzywych wzbudzenia 27 Al(p,p) 27 Al 27 Al(p,α) 24 Mg 24 Mg(α,p) 27 Al 24 Mg(α, α) 24 Mg Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 15

16 Fluktuacje Ericksona Gdy rezonanse nakładają się maksima nie odpowiadają rezonansom lecz fluktuacjom, tzw. fl. Ericksona Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 16

17 Skrajne modele mechanizmu reakcji Istnieją dwa skrajne modele mechanizmu reakcji jądrowych: Model reakcji wprost (model bezpośredniego oddziaływania direct reactions), który zakłada szybki proces oddziaływania z wybranymi stopniami swobody jądra (jednocząstkowe lub kolektywne) Model jądra złożonego, w którym zakłada się, że zderzające się jądra tworzą długo żyjący układ złożony (zwany jądrem złożonym - compound nucleus) znajdujący się w stanie równowagi termodynamicznej. Emisja produktów reakcji zachodzi w analogiczny sposób jak wyparowanie atomów z cieczy Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 17

18 Jakościowe cechy reakcji wprost Pamiętają kanał wejściowy stąd rozkłady kątowe produktów wyróżniają kierunek wiązki (są asymetryczne względem 90 o w CM) Przykład: 28 Si( 9 Be, 8 Be) 29 Si przy E lab =20 MeV Na rysunku pokazano przednie kąty emisji cząstek (mniejsze od 90 o w CM) dla różnych stanów 29 Si Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 18

19 Cechy jakościowe r. wprost (2) Selektywność w obsadzaniu stanów jądra końcowego (w widmie) Okno energii wzbudzenia: Wyraźnie silniej wzbudzają się stany w połowie skali energii pokazanej na rysunku Okno spinu: Wyraźnie silniej (przynajmniej o czynnik 3) wzbudzają się 2 stany z l=1 (kreskowana linia): 4.93 MeV (3/2-) i 6.38 MeV (1/2-) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 19

20 Cechy jakościowe r. wprost (3) Krzywe wzbudzenia nie wykazują szybkich zmian Reakcje zachodzą szybko (~ sek) więc z zasady nieoznaczoności energia zmienia się powoli Przykład: rozpraszanie 12 C+ 9 Be w zakresie E cm = 7 15 MeV Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 20

21 Cechy reakcji przez jądro złożone Produkty reakcji nie pamiętają kanału wejściowego Więc nie ma wyróżnionego kierunku emisji (chyba, że przez zachowanie krętu). Stąd rozkłady kątowe są symetryczne w CM dokoła 90 o Przykład: 12 C( 9 Be,p) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 21

22 Widma produktów r. przez j. złożone Nie ma selektywności Gdy widma są ciągłe maleją wykładniczo Gdy są dyskretne to natężenia pików są statystyczne, tzn. proporcjonalne do liczby stanów magnetycznych (2I+1) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 22

23 Krzywe wzbudzenia r. przez j. złożone Krzywe wzbudzenia zmieniają się szybko bo jądro złożone istnieje bardzo długo w porównaniu do reakcji wprost (5 8 rzędów wielkości dłużej) Jest to prawdziwe zarówno dla rezonansów jak i dla fluktuacji. Przykład fluktuacji 12 C( 9 Be,t) 18 F rysunek obok Przykład rezonansów to slajd Al(p,p) itd. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 23