05-05-07 Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2009
część 8 reakcje jądrowe
od początku... 1919 E.Rutherford, (Po, ZnS, transmutacja) 4 2 He + 14 7N 17 8O + p (Q = -1.19 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
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 = 17.58 MeV) wysokoenergetyczne neutrony
reakcje (cd) fotoreakcja +d n + p (Q = -2.22 MeV) sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 4 2 He + 27 13Al 30 15P + n (Q = -2.69 MeV) 30 15 P 30 14Si + e + + e + 10 5B 13 7N + n d + 12 6C 13 7N + n p + 12 6C 13 7N + 13 7 N 13 6C + e + + e
reakcje (cd) wychwyt neutronu E.Fermi n + 27 13Al 24 11Na + 24 11 Na 24 12Mg + e + e reakcja aktywacji n + 107 47Ag 108 47Ag + 108 47 Ag 24 12Mg + e + e
rozszczepienie n + 238 92U 239 92U + 239 92 U 239 93Np + e + e transuranowce 1938 L.Meitner i O.Frish
reakcja rozszczepienia
reakcja łańcuchowa 235 U 0,72%
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 )
cd masa krytyczna spowalnianie 2 MeV > 0,1 ev
reaktor jądrowy
06.08.45 H 08:16:02 09.08.45 N
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
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
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
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
energia reakcji i i f f f f i i T T c m c m Q 2 0 2 0 Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: 2 2 2 0 2 2 0 2 pc m c m c E 2 0 2 2 0 1 1 2 1 m c T m c E 0 2 2 0 2m p m c T 2 0 1 1 1 1 cos 2 1 1 m c E T T M M M M M T M M T Q i i j i j j i i
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
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 + 60 28 Ni 62 30 Zn + 2n 64 30 Zn* p + 63 29 Cu 63 30 Zn + n
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
reakcje bezpośrednie 2 H 1 H b 16 O 17 O stripping: d + 16 O p + 17 O (Q=1.92 MeV)
cd twarde widma z ostrym maksimum anizotropowy rozkład kątowy słaba zależność od energii początkowej reakcja jednoetapowa, peryferyjna pick-up, kick-off
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)
cykl wodorowy
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)
cykl C-N-O
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?
C + C
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 - +
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
synteza jądrowa 3 2 He + n (+3,25 MeV) d + d 3 1 H + p (+4,03 MeV) d + 3 1 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)
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?
Ivy Mike 31.10.1952 Atol Enewetak (E.Teller, S.Ulam)
Atol Bikini http://video.google.com/videopla y?docid=-585716941089093304 01.04.1954, Castle Bravo, 15 Mton
tokamak pole toroidalne pole poloidalne pole typu tokamak тороидальная камера в магнитных катушках I.Tamm, A.Sakharov - 1950
www.iter.org ITER
nuclear fusion supernova thermonuclear explosion hydrogene bomb, Teler-Ulam device, Tsar-bomb 50 Mton, Novaya Zemlya, 10.1961, Ivy Mike, 30.10.1952 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 http://en.wikipedia.org/wiki/nuclear_fusion http://w3.pppl.gov/~dstotler/ssfd/