FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Transkrypt

1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 9 Reakcje jądrowe

2 Reakcje jądrowe

3 Historyczne reakcje jądrowe 1919 E.Rutherford 4 He N 17 8O + p (Q = MeV) powietrze błyski na ekranie scyncylacyjnym ZnS transmutacja zamiana jednego jądra na inne 193 protony z generatora Cocrofta-Waltona p + 7 3Li 4 He + 4 He (Q > 0) Bariera kulombowska potrzebna niezerowa energia pocisku

4 Historyczne reakcje jądrowe 193 Chadwick: odkrycie neutronu 4 He + 9 4Be 1 6C + n Be (,n) C 4 He + 9 5B 11 7N + n B (,n) N Źródło neutronów Ra-Be:

5 Reakcje jądrowe deuter d +d 3 1H + p d +d 3 He + n (Q = 4.03 MeV) (Q = 3.7 MeV) tryt n + 6 3Li 3 1H + 4 He 3 1 H + 1H n + 4 He (Q = MeV) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 MeV)

6 Reakcje jądrowe fotoreakcja +d n + p (Q = -. MeV) sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 4 He Al 30 15P + n (Q = -.69 MeV) P 30 14Si + e + + e B 13 7N + n d + 1 6C 13 7N + n p + 1 6C 13 7N N 13 6C + e + + e

7 Wychwyt neutronu Enrico Fermi n Al 4 11Na Na 4 1Mg + e + e reakcja aktywacji srebra: n Ag Ag Ag Cd + e + e

8 Reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B +... a + A a + A rozpraszanie elastyczne a + A a + A* rozpraszanie nieelastyczne Energie: niskie średnie wielkie < 0 MeV do kilkaset MeV do kilku GeV ultrawielkie

9 Badamy: przekroje czynne miarę prawdopodobieństwa zajścia danego procesu tożsamości cząstek (masa, ładunek, spin, parzystość) charakterystyki kinematyczne (p t, p l, E, ) Eksperymenty ekskluzywne pełna informacja o wszystkich produktach reakcji. Eksperymenty inkluzywne badanie niektórych produktów reakcji

10 Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

11 Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa przekrój czynny

12 n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m -3 - efektywna powierzchnia centrów, m Sdx - objętość warstwy ksdx - ilość centrów w warstwie ksdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy (bez przekrywania) S dx

13 ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: dn n dn n ksdx S kdx prawdopodobieństwo oddziaływania n x 0 n e kx pomiar lnn x lnn 0 k x mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) - wyznaczamy

14 średnia droga swobodna: 0 xe e kx dx 0 kx dx 1 k n x n 0 e x pomiar przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10-8 m (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~10)

15 Różniczkowy przekrój czynny y d z d d x ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecą w kierunku wyznaczonym przez kąty i.

16 symetria azymutalna: cos d d sin d sin d d 0 w ogólności: f d d 1 1 cos d f d f tot oś zderzenia

17 f() a izotropia f a tot 4a -1 1 cos podwójny różniczkowy przekrój czynny: d d de

18 Reakcje jądrowe A a B b lub A a,bb Zasada zachowania energii: M m c M m c Q A a B b Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna Energia progowa

19 Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: const Z i Zasada zachowania liczby barionowej: A i const przykłady: reakcja ładunek liczba nukleonów 1 H + 1H 3 He + n 1 +1 = = p + 7 3Li 7 4Be + n = = He + 9 4Be 1 6C + n + 4 = = He B 14 7N + n + 5 = =

20 Kinematyka reakcji A a B b laboratoryjny układ odniesienia: układ środka masy: p i 0 v a v B v a M a M A M a M A CM LAB v b v' b M b b M B M b ' b B B M B v B v B

21 Kinematyka reakcji v' b v b v o ' b b a X a a o v M M M v f f f f i i i i T c m T c m 0 0 prędkość środka masy: T m c E 0 energia całkowita: f f i i f f i i p p E E zasada zach. energii i pędu: v b prędkość cząstki b w ukł. lab. v b prędkość cząstki b w ukł. CM

22 Energia reakcji i i f f f f i i T T c m c m Q 0 0 Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: 0 0 pc m c m c E m c T m c E 0 0 m p m c T b a b B b a B a a B b b cos T T M M M M M T M M T Q 1 1 w przypadku nierelatywistycznym: wyznaczamy Q mierząc T b i b

23 Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji: I. pocisk wchłonięty przez jądro powstaje wzbudzone jądro zlożone II. rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie

24 Model jądra złożonego a + A ZX C* C * + I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia C * b 1 + Y 1 + b + Y + II etap np.: 4 He Ni 6 30 Zn + n Zn* p Cu Zn + n

25 kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji jądro złożone nie pamięta jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku

26 Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella: N E N E ln E de ~ Ee const E T de E T temperatura jądra? T (5,00) MeV

27 Reakcje bezpośrednie H 1 H b 16 O 17 O stripping (zdarcie): d + 16 O p + 17 O (Q=1.9 MeV)

28 Reakcje bezpośrednie H 3 H b 16 O 15 O pick-up (poderwanie): d + 16 O 3 H + 15 O

29 liczba protonów Reakcje bezpośrednie twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n,p) jądro złożone (n,p) reakcja wprost anizotropowy rozkład kątowy z maksimum dla małych kątów energia protonów słaba zależność przekroju czynnego od energii cząstki padającej reakcja jednoetapowa, peryferyjna

30 Energia jądrowa

31 Rozszczepienie lata 30 XX w. poszukiwanie nowych nuklidów n U 39 9U + reakcja przez jądro złożone 39 9 U 39 93Np + e + e kolejna przemiana transuranowce Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego.

32 Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie stworzone sztucznie Nietrwałe: przemiana lub rozszczepienie Z nazwa 93 neptun 94 pluton 95 ameryk 96 kiur 97 berkel 98 kaliforn 99 einstein 100 ferm 114 Uuq długi czas życia (dziesiątki sekund) 114 liczba magiczna