FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 9 Reakcje jądrowe
Reakcje jądrowe
Historyczne reakcje jądrowe 1919 E.Rutherford 4 He + 14 7N 17 8O + p (Q = -1.19 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
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:
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 = 17.58 MeV) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 MeV)
Reakcje jądrowe fotoreakcja +d n + p (Q = -. MeV) sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 4 He + 7 13Al 30 15P + n (Q = -.69 MeV) 30 15 P 30 14Si + e + + e + 10 5B 13 7N + n d + 1 6C 13 7N + n p + 1 6C 13 7N + 13 7 N 13 6C + e + + e
Wychwyt neutronu Enrico Fermi n + 7 13Al 4 11Na + 4 11 Na 4 1Mg + e + e reakcja aktywacji srebra: n + 107 47Ag 108 47Ag + 108 47 Ag 108 48Cd + e + e
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
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
Przekrój czynny = efektywna powierzchnia
Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa przekrój czynny
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
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
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)
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.
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
f() a izotropia f a tot 4a -1 1 cos podwójny różniczkowy przekrój czynny: d d de
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
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 = + 0 + = 3 + 1 p + 7 3Li 7 4Be + n 1 + 3 = 4 + 0 1 + 7 = 7 + 1 4 He + 9 4Be 1 6C + n + 4 = 6 + 0 4 + 9 = 1 + 1 4 He + 11 5B 14 7N + n + 5 = 7 + 0 4 + 11 = 14 + 1
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
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
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 0 0 1 1 1 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
Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji: I. pocisk wchłonięty przez jądro powstaje wzbudzone jądro zlożone II. rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie
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 + 60 8 Ni 6 30 Zn + n 64 30 Zn* p + 63 9 Cu 63 30 Zn + n
kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji jądro złożone nie pamięta jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku
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
Reakcje bezpośrednie H 1 H b 16 O 17 O stripping (zdarcie): d + 16 O p + 17 O (Q=1.9 MeV)
Reakcje bezpośrednie H 3 H b 16 O 15 O pick-up (poderwanie): d + 16 O 3 H + 15 O
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
Energia jądrowa
Rozszczepienie lata 30 XX w. poszukiwanie nowych nuklidów n + 38 9U 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.
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