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

Reakcje jądrowe

„Historyczne” reakcje jądrowe 42He + 147N  178O + p (Q = -1.19 MeV) 1919 E.Rutherford powietrze błyski na ekranie scyncylacyjnym ZnS transmutacja – zamiana jednego jądra na inne p + 73Li  42He + 42He (Q > 0) 1932 protony z generatora Cocrofta-Waltona Bariera kulombowska – potrzebna niezerowa energia pocisku

„Historyczne” reakcje jądrowe 1932 Chadwick: odkrycie neutronu 42He + 94Be  126C + n Be (,n) C 42He + 95B  117N + n B (,n) N Źródło neutronów Ra-Be: 

Reakcje jądrowe deuter d +d  31H + p (Q = 4.03 MeV) d +d  32He + n (Q = 3.27 MeV) tryt n + 63Li  31H + 42He 31H + 21H  n + 42He (Q = 17.58 MeV) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 MeV)

Reakcje jądrowe fotoreakcja  +d  n + p (Q = -2.22 MeV) sztuczna promieniotwórczość – F. i I. Joliot-Curie 42He + 2713Al  3015P + n (Q = -2.69 MeV) 3015P  3014Si + e+ + e  + 105B  137N + n d + 126C  137N + n 137N  136C + e+ + e p + 126C  137N + 

Wychwyt neutronu Enrico Fermi n + 2713Al  2411Na +   2411Na  2412Mg + e + e reakcja aktywacji srebra: n + 10747Ag  10847Ag +   10847Ag  10848Cd + e + e

Reakcje jądrowe wielkie do kilku GeV kanał wejściowy  kanał wyjściowy a + A  B + ... a + A  a + A rozpraszanie elastyczne a + A  a + A* rozpraszanie nieelastyczne Energie: niskie < 20 MeV średnie do kilkaset MeV wielkie do kilku GeV ultrawielkie

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

Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa

n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3  - efektywna powierzchnia centrów, m2 Sdx - objętość warstwy kSdx - ilość centrów w warstwie kSdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy (bez przekrywania) S dx

ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: prawdopodobieństwo oddziaływania pomiar  mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) -wyznaczamy 

średnia droga swobodna: pomiar  przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego:   barn, b=10-28 m2 (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120)

Różniczkowy przekrój czynny x   d ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny – prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecą w kierunku wyznaczonym przez kąty  i .

symetria azymutalna: oś zderzenia   w ogólności:

podwójny różniczkowy przekrój czynny: f() izotropia a -1 1 cos podwójny różniczkowy przekrój czynny:

Reakcje jądrowe lub Zasada zachowania energii: Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q < 0 – reakcja endoenergetyczna Energia progowa

Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: 21H + 21H  32He + n 1 +1 = 2 + 0 2 + 2 = 3 + 1 p + 73Li  74Be + n 1 + 3 = 4 + 0 1 + 7 = 7 + 1 42He + 94Be  126C + n 2 + 4 = 6 + 0 4 + 9 = 12 + 1 42He + 115B  147N + n 2 + 5 = 7 + 0 4 + 11 = 14 + 1 reakcja ładunek liczba nukleonów

Kinematyka reakcji laboratoryjny układ odniesienia: układ środka masy: va MA Ma vB MB B vb b Mb LAB vB va MA Ma v‘B 'b Mb v'b MB ‘B CM układ środka masy:

Kinematyka reakcji prędkość środka masy: zasada zach. energii i pędu: vb – prędkość cząstki b w ukł. lab. v’b – prędkość cząstki b w ukł. CM prędkość środka masy: v'b vb vo 'b b zasada zach. energii i pędu: energia całkowita:

Energia reakcji Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: w przypadku nierelatywistycznym: wyznaczamy Q mierząc Tb i b

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

Model jądra złożonego a + AZX  C* I etap  C’* +  przejście do niższego stanu wzbudzenia C’*  b1 + Y1 + … II etap  b2 + Y2 + … np.:  42He + 6028Ni  6230Zn + 2n 6430Zn*  p + 6329Cu  6330Zn + n

rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne 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:  temperatura jądra? T  (5,200) MeV

Reakcje bezpośrednie 16O 17O 2H 1H b stripping (zdarcie): d + 16O  p + 17O (Q=1.92 MeV)

Reakcje bezpośrednie pick-up (poderwanie): d + 16O  3H + 15O 2H 3H b

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

Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów reakcja przez jądro złożone n + 23892U  23992U +  23992U  23993Np + e + e  transuranowce  kolejna przemiana  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