Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Reakcje jądrowe Ogólnie A + x B + y zapis skrócony 14 N(,p) 17 O Często reakcje jądrowe przechodzą przez stadium pośrednie A+x C* B + y C* jest stanem.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Reakcje jądrowe Ogólnie A + x B + y zapis skrócony 14 N(,p) 17 O Często reakcje jądrowe przechodzą przez stadium pośrednie A+x C* B + y C* jest stanem."— Zapis prezentacji:

1 Reakcje jądrowe Ogólnie A + x B + y zapis skrócony 14 N(,p) 17 O Często reakcje jądrowe przechodzą przez stadium pośrednie A+x C* B + y C* jest stanem pośrednim (jądrem złożonym) Jądro złożone ma czas życia poniżej s. W reakcjach jądrowych energia całkowita jest sumą energii kinetycznych E k i energii masowych E m = mc 2 Ec=Ec=

2 Aby zaszla reakcja z naladowana czastka (p,, ciezkie jadro) musi byc pokonana bariera kulumbowska. Dla reakcji A + x B + y bilans energii jest następujący: E x + m x c 2 + m a c 2 = E b + m b c 2 + E y + m y c 2 Wyodrębnimy energie kinetyczne cząstek bombardujących i produktów otrzymamy efekt energetyczny reakcji jądrowej Q Q = E b + E y –E x = (m x + m a - m b - m y )c 2 Reakcje mogą być endotermiczne i energia musi być dostarczona Dostarcza się energię poprzez bombardującą cząstkę lub egzotermiczne energia jest odbierana poprzez emisję n i odrzut 12 C Q = 5,70MeV Q= - 4,97MeV

3 Z prawa zachowania pędu m x v x =m jz v jz po podniesieniu do kwadratu mamy: m x 2 v x 2 =m jz 2 v jz 2 E x m x =E jz m jz aby zaszła reakcja jądrowa energia pocisku E x musi być większa od Q o wartość energii progowej E jz E x = E jz - Q = Dla przeprowadzenia reakcji endotermicznej jest potrzebna nieco większa energia niż Q, tzw energia progowa. Jest to związane z udzieleniem energii kinetycznej jądru złożonemu. Czyli E x będącą energią progową wynosi: E x (prog)= -Q x a m jz =m a +m x

4 masy wynoszą: 14, , , , bilans masy: 18, , = - 0,00128 u Q= -0,00128u. 931,5MeV/u=-1,19MeV Reakcja jest procesem endotermicznym i trzeba dostarczyć jej energii poprzez energię kinetyczną cząstki. = 1,59MeV Przyklad, reakcja endotermiczna E prog = E x (prog)= -Q

5 Przekrój czynny Prawdopodobieństwo zajścia reakcji jądrowej określa przekrój czynny, określa on skuteczność zderzeń gdzie: L z -liczba zderzeń skutecznych N- ilość jąder na m 3 tarczy mogących brać udział w rekcji X - grubość tarczy - strumień cząstek bombardujących na m 2 tarczy i 1 s Zazwyczaj przekroje czynne reakcji są rzędu mili i mikro barnów. Przekrój czynny jest wyrażany w jednostkach powierzchni. Jest to powierzchnia jaka uczestniczy w reakcji jądrowej: Jeżeli średni promień jadra wynosi 6x m To przekrój takiego jadra 3,14x(6x m) m jest jednostka przekroju czynnego (1 b - barn)

6 Funkcje wzbudzenia przedstawiają wydajności reakcji w zależności od energii cząstki Reakcje p z 63 Cu

7 Wydajność reakcji jądrowych Powstający w reakcji jądrowej promieniotwórczy nuklid jest zazwyczaj nietrwały i ulega rozpadowi z czasem połowicznego rozpadu t 1/2 N b – powstały nuklid promieniotwórczy N a – nuklid macierzysty (bombardowany) F - strumień - przekrój czynny l - stała rozpadu nuklidu B Całkując to równanie przy założeniu, że i N a const. Otrzymujemy:

8 Gdy czasy połowicznego rozpadu nuklidu B sa duże to ilość otrzymanego B zależy od czasu bombardowania. Gdy są małe to po ok. 6 T 1/2 osiąga się nasycenie i nie ma sensu dłuższe naświetlanie

9 Bariera kulombowska Aby naładowana cząstka mogła wniknąć w jądro musi pokonać barierę kulombowską. Przy mniejszej energii odbija się od jądra. Po wniknięciu do jądra zaczynają działać siły jądrowe i tworzy się wzbudzone jądro złożone. Istnieje także prawdopodobieństwo, że cząstka o mniejszej energii niż bariera kulombowska wniknie do jądra w wyniku efektu tunelowego Cząstki bombardujące to protony, ( 4 He), deuterony 2 H, ciężkie jony ( 12 C, 18 O, 20 Ne) itd.

10 Wysokość bariery kulombowskiej dla reakcji jądrowych Reakcja jądrowa Wysokość bariery kulombowskiej(MeV) 12 C + 1 H2, U + 1 H14,24 14 N + 4 He4, U + 4 He26, U + 12 C75, U U1514,7

11 Ważniejsze reakcje dwuciałowe Reakcje niskoenergetyczne - przy niskich energiach emitowana jest jedna cząstka. Przy wyższych energiach następuje emisja dwóch lub więcej cząstek,2n,n p,2np,nd,n p, p jądrod,p n, p, n,d,p n,p n, Z N

12 1. -proton pierwsze doświadczenie Rutherforda 2. -neutron reakcja będąca popularnym źródłem neutronów Wazniejsze reakcje jadrowe

13 3. proton - 4. proton-neutron W tej reakcji otrzymuje się jądra izobaryczne np. 11 B(p,n) 11 C, 18 O(p,n) 18 F, 63 Cu(p,n) 63 Zn

14 5. proton - Gdy w wyniku bombardowania protonami tworzy się jądro stosunkowo trwałe (mające liczby magiczne) to wzbudzenie jądra złożonego realizuje się poprzez emisje kwantu. Np. 6. reakcje deuteron-, deuteron - proton, deuteron-neutron

15 7. Reakcje fotojądrowe Reakcje jądrowe zachodzące pod wpływem bombardowania wysokoenergetycznymi fotonami. Aby wybita mogła być cząstka z jądra energia fotonu musi być co najmniej większa od energii wiązania cząstki w jądrze. Dla lekkich jąder, gdzie energia wiązania jest mała fotorozpad może zajść przy stosunkowo małych energiach. inną typową reakcją jest 31 P(,n) 30 P Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania g mogą być akceleratory, tzw promieniowanie hamowania, niektóre reakcje (p, ) np. 7 Li(p, ) 8 Be emituje kwant o energii 17,2 MeV. 8. reakcje powodowane elektronami Reakcje te są rzadkie i nie mają znaczenia praktycznego. np: 63 Cu(e,e,n) 62 Cu, 64 Zn(e,e,n) 63 Zn, 109 Ag(e,e,n) 108 Ag Q=-2,225MeV

16 7. Reakcje powodowane przez neutrony Neutron – okres półrozpadu min W zależności od energii neutrony dzielimy na: termiczne – 0 - 0,1 eV powolne – 0 – 100 eV Średnie – 100 eV keV prędkie > 100 keV Neutrony termiczne i powolne uzyskuje się na drodze hamowania neutronów prędkich w zderzeniach sprężystych. Przekroje czynne dla neutronów prędkich są zbliżone do przekrojów geometrycznych. Dla neutronów termicznych i powolnych na skutek wychwytów rezonansowych przekroje mogą być większe.

17 Reakcje n, Większość trwałych nuklidów może pochłaniać neutrony termiczne (rezonansowe) o energii 1-10 eV. Neutrony o tej energii mają maksima absorpcji. Powstałe izotopy promieniotwórcze są na lewo od wyspy stabilności i ulegają reakcją -.

18 reakcje neutron - np. 6 Li(n, 10 B(n, ) 7 Li, 27 Al(n, ) 24 Na Dwie pierwsze reakcje są przykładami rozszczepienia jądra na fragmenty. Produktami są izobary tarczy. Tego typu reakcją produkuje się 14 C stosowany powszechnie w naukach biologicznych 14 N(n,p) 14 C Napromieniowując NH 4 NO 3 można otrzymać duże wagowe ilości 14 C reakcje neutron-proton

19 Źródła neutronów źródłoStrumień n (cm -2 s -1 ) Reaktor Be(,n) 12 C Be(,n) Be(d,n) 10 B Cf(f,n) 2,3x10 6 /1 g 252 Cf Reakcje spalacji

20 Cząstki a są otrzymywane ze źródeł a takich jak 226 Ra, 210 Po, 241 Am. Deuterony do reakcji 9 Be(d,n) 10 B są przyspieszane w małych akceleratorach. Neutrony spalacyjne powstają przez bombardowanie ciężkich tarcz (Pb) wysoenergetycznymi protonami. Silnie wzbudzone w wyniku bombardowania jądro ołowiu emituje strumień neutronów i protonów. Protony są oddzielane w polu elektrycznym.

21 Synteza i rozszczepienie jąder synteza m ass / nucleon (MeV/c 2 ) rozszczepienie (A ~ 200)

22 Indukowane reakcje rozszczepienia Reakcje rozszczepienia polegają na wychwycie cząstki przez jądra pierwiastków ciężkich i rozpadzie silnie wzbudzonego jądra na dwa nietrwałe fragmenty oraz neutrony.

23 Indukowana neutronami reakcja rozszczepienia: n U xxx E yy + uuu E ww + 3 n np:

24 Oprócz reakcji rozszczepienia 235 U zachodzi także wychwyt radiacyjny (ok.15%) 235 U + n 236 U + Ciężkie jądra mają nadmiar neutronów: np 235 U Produkty rozszczepienia 137 Cs 90 Zr = 1,25 Nadmiar neutronów jest emitowany natychmiast i w wyniku rozpadów - fragmentów rozszczepienia.

25 Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia 235 U zakladamy reakcje rozszczepienia:, 235 U + n 142 Cs Rb n Produkty rozszczepienia ulegaja dalszym rozpadom Cs 142 Ba + (~1 min) 90 Rb 90 Sr + (half-life, 15.4 min) 142 Ba 142 La + (11 min) 90 Sr 90 Y + (27.7 y) 142 La 142 Ce + (58 min) 90 Y 90 Zr (stable) + (64 h) 142 Ce 142 Pr + ( y) 142 Pr 142 Nd (stable) + (19 h)

26 Bilans masy : 235 U Nd Zr n + Q = x Q Q = ( x ) = amu x = MeV/na rozpad x x = 3.15x J zakładamy reakcje rozszczepienia:, 235 U + n 142 Cs Rb n

27 Ile energii wydziela się z rozszczepienia 1.0 kg 235 U. ( J) 1000 g 1 mol 235 g 6.023e23 1 mol = J/kg Jest to równoważnik 2 mln kg węgla

28 Energia kinetyczna fragmentóów rozszczepienia Energia prompt (< 10 –6 s) gamma Energia kinetyczna neutronów Energia rozpadu gamma produktów rozszczepienia Energia rozpadu produktów Energia antyneutrin (v e ) 167 MeV 8 7 Podział Energii (MeV) w reakcji rozszczepienia

29 Jakie jądra mogą ulec rozszczepieniu: Trwałości jądra sprzyja mała ilość nukleonów powierzchniowych A 2/3, Nietrwałość odpychająca siła kolumbowska Czyli parametr rozszczepienia Przyjmuje się, że od wartości 33-33,7 jądra są rozszczepialne przez neutrony prędkie, a od 35,7 przez neutrony o dowolnej energii. Aby zaszło rozszczepienie musi być pokonana energia aktywacji konieczna do pokonania bariery, czyli energia wzbudzenia po przyłączeniu neutronu musi być większa od energii aktywacji.

30 Jądro pierwotne Jądro złożone E w (MeV) E A (MeV) 233 U 234 U*6,64,6 235 U 236 U*6,455,3-5,8 238 U 238 U*4,95,5 232 Th 233 Th*5,16,5 237 Np 238 Np*5,04,2 239 Pu 240 Pu*6,44,0

31 Zastosowanie reakcji rozszczepienia - Produkcja izotopów dla medycyny, 131 I 90 Sr ( 90 Y), 99 Mo ( 99m Tc), 103 Ru ( 103m Rh) - Bron jądrowa - Energetyka jądrowa (oddzielny wykład)

32 Bron jadrowa oparta na reakcji rozszczepienia 235 U i 239 Pu Reakcja lancuchowa

33 1.Źródło neutronów 2.Materiał rozszczepialny 3.Rozszczepienie musi produkować ponad 1 neutron 4.Ilość materiału musi być większa od masy krytycznej Co jest potrzebne do budowy bomby atomowej 235 U i 239 Pu 235 U musi być wydzielony z 238 U 239 Pu jest produkowany w reaktorze przez naświetlenie 238 U neutronami Materiały rozszczepialne

34 Fat Man (6kg 239 Pu) Little Boy (60 kg 235 U)

35 Są to reakcje wymagające bardzo wysokich temperatur. Energia kinetyczna cząstek zderzających się musi być bardzo duża. Są to w praktyce reakcje D+D, D+T, T+T. Aby zaszła reakcja musi być pokonana bariera energetyczna J co wymaga energii kinetycznej cząstek o temperaturze 10 9 K. Ze względu na występowanie efektu tunelowego temperatura może być mniejsza o jeden rząd wielkości. Reakcje termojądrowe-fuzji

36 Energia syntezy 4 He w reakcji D-T D + T 4 He + n Energia syntezy - Q Deficyty masy w MeV dla substratów i produktu D + T 4 He + n + Q 13, ,950 = 2, ,070 + Q Q = 17.6 MeV/5 nukleonów czyli 3,5 MeV/amu w porównaniu 0,8 MeV/amu dla rozszczepienia

37 D + D 4 He MeV (hypotetyczna) H + H D MeV D + T 4 He + n MeV D + 3 He 4 He + p MeV D + D 3 He + n MeV D + D 3 T + p MeV Energie reakcji syntezy

38 Reakcje termojądrowe w gwiazdach wielki wybuch

39 Podstawową reakcją zachodzącą w gwiazdach jest spalanie wodoru: Zaczyna się ono przy temperaturze 5x10 6 K trwa przy powolnym wzroście temperatury, 2 1 H ( 2 He*) 2 H + e + + 0,44MeV Deuteron wyłapuje proton w szybkiej reakcji 2 H + 1 H 3 He + + 5,49 MeV Ponieważ reakcja jest szybka stężenie deuteronu w gwiazdach jest bardzo małe. Następnie następuje znowu szybka reakcja: 2 3 He 4 He H + 12,86 MeV Sumarycznie 4 1 H + 4 He + 2e+ 24,72 MeV Cykl wodorowy

40 Pozytony są natychmiast anihilowane 2e + +2e - 2,04MeV Sumaryczny efekt 26,76 MeV Ok. 90 % energii słonecznej jest wytwarzana w tym cyklu W wyższych temperaturach zaczyna pojawiać się cykl Bethe`go-Weizsaeckera – katalizowana fuzja wodoru przez 12 C.

41 Cykl węglowy: 12 C + H 13 N + 13 N 13 C (+ e – ) n 13 C + H 14 N + 14 N + H 15 O + 15 O 15 N (+ e – ) n 15 N + H 12 C + 4 He + sumarycznie 4 H = 4 He (+ 2e – ) n MeV (podobnie do cyklu wodorowego)

42 Spalanie He Po wyczerpaniu wodoru następuje zapadanie się gwiazdy. Jej wnętrze ogrzewa się do wyższej temperatury. Przy T=10 8 K następuje "spalanie" helu z utworzeniem jąder 12 C, 16 O i 20 Ne. 4 He + 4 He 8 Be 8 Be + 4 He 12 C 12 C + 4 He 16 O dalsze reakcje prowadzą do utworzenia jąder aż do 40 Ca.

43 Spalanie węgla i tlenu 12 C + 12 C 24 Mg + 12 C + 12 C 23 Na +p 12 C + 12 C 20 Ne + a dalej 20 Ne + 16 O + 4 He 16 O + 16 O 32 S + 16 O + 16 O 31 S +n 16 O + 16 O 28 Si + 4 He 16 O + 16 O 31 P +p Następują dalsze wychwyty i powstają jądra z okolicy żelaza

44 W gwiazdach zachodzi dalsza synteza pierwiastków poprzez reakcje (n, g). 56 Fe(n, ) 57 Fe(n, ) 58 Fe(n, ) 59 Fe 59 Co(n, ) 60 Co 60 Ni W normalnych gwiazdach mogą się wytworzyć nuklidy aż do 209 Bi. Po bizmucie mamy szereg pierwiastków emiterów o krótkim czasie połowicznego rozpadu (Po, At, Rn, Fr) i rozpad jest szybszy niż wychwyt neutronu. Gdy gwiazda wypali się w jej skład wchodzą w zasadzie nuklidy z okolicy żelaza i trochę cięższych powstałych z wychwytu neutronów.

45 Zapadanie się gwiazdy

46 Wybuch supernowej

47 Układ okresowy

48 Siły grawitacyjne powodują wzrost gęstości do g cm-3 i temperatury do 10 9 K. W jądrze gwiazdy następuje reakcja: p + e n + e Reakcja trwa ok. 1 s i wyzwala ogromny strumień neutronów. Atomy zewnętrznej warstwy gwiazdy pochłaniają duże ilości neutronów np. w reakcji: 56 Fe + 118n 244 Fe 244 Co 244 Ni Pu i uwalniają się do przestrzeni międzygwiezdnej

49 Bomba wodorowa (termojądrowa) zawiera ładunek jądrowy ( 235 U) jako zapalnik oraz D, T i Li. Wybuch bomby zaczyna się od detonacji konwencjonalnego ładunku, który inicjuje wybuch rozszczepienie 235 U. Gdy temperatura osiągnie 10 7 K następuje łańcuch reakcji syntezy 2 D + 3 T 4 He + n MeV n + 6 Li T + 4 He ( = 942 b) n + 7 Li T + 4 He + n ( = b) Bron termojądrowa

50 Takie reakcje mogą być także źródłem kontrolowanej syntezy termojądrowej. Dwa czynniki warunkują możliwość przeprowadzenia kontrolowanej fuzji termojądrowej. Temperatura cząstek musi być większa od 10 8 K, oraz muszą być zamknięte substraty reakcji. Do zamykania plazmy planuje się zastosować pole elektromagnetyczne. Energia do przeprowadzenia reakcji może być dostarczana wiązką laserową, lub wiązką elektronów z akceleratora. Kontrolowana fuzja jadrowa

51 Miony, m – i m + sa cząstkami elementarnymi o masie 207 wiekszej od elektrony. W cząsteczce D( -)D mogą powodować zbliżenie jader deuteru i zajście reakcji: 2 D 2 3 He + n MeV albo 2 D 2 3 T + p MeV Zimna synteza - mionowa


Pobierz ppt "Reakcje jądrowe Ogólnie A + x B + y zapis skrócony 14 N(,p) 17 O Często reakcje jądrowe przechodzą przez stadium pośrednie A+x C* B + y C* jest stanem."

Podobne prezentacje


Reklamy Google