Reakcje jądrowe Reakcja jądrowa – oddziaływania dwóch obiektów, z których przynajmniej jeden jest jądrem. W wyniku reakcji jądrowych powstają: Nowe jądra Jądra w innym stanie niż początkowe Pierwsza zaobserwowana reakcja jądrowa (Rutherford, 1919) Zapisujemy: lub transmutacja – zamiana jednego jądra na inne

Najprostsza reakcja - rozpraszanie

Reakcje syntezy 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 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 powyżej kilku GeV

Badamy: przekroje czynne – miara 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 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)

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

Modele reakcji

Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji: pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone jądro złożone rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykłady:

Model jądra złożonego Przykłady:

Model jądra złożonego I etap: jądro wnika do tarczy, powstaje jądro złożone najczęściej w stanie wzbudzonym (emisja kwantów ), w wyniku szeregu zderzeń energia zostaje rozdzielona pomiędzy wszystkie nukleony jądra. Jądro złożone jest obiektem o długim czasie życia ~10-16s II etap: rozpad jądra pośredniego (najczęściej jest więcej scenariuszy rozpadu), dynamika procesów w drugim etapie nie zależy od sposobu powstania jądra złożonego.

Model jądra złożonego a + AZX  C* I etap (powstanie jądra złożonego) przejście do niższego stanu wzbudzenia  C’* +  C’*  b1 + Y1 + … II etap (rozpad jądra złożonego)  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

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 Pocisk wchodzi w obszar oddziaływania jądra tarczy i może… zostać schwytany w całości lub częściowo (zdarcie) poderwać nukleony z jądra tarczy (poderwanie, zubożenie) Część pocisku schwytana przez jądro przekazuje swoją energię nukleonowi (grupie nukleonów) i wybija je z jądra. Względnie małe transfery energii i pędu Jądro po reakcji może być w stanie wzbudzonym – dalsze przejścia, rozpady.

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 Nukleony z którymi nie oddziałuje pocisk bezpośrednio nie uczestniczą w reakcji Czas trwania całej reakcji porównywalny z czasem przelotu nukleonu przez obszar jądra, ~10-22s

Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

Reakcja rozszczepienia wyzwala się 180 MeV rozpad  - wyzwala się 5,6 MeV

Reakcja rozszczepienia

reakcja rozszczepienia

reakcja łańcuchowa 235U – 0,72%

bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 MeV energia unoszona przez neutrony 5 MeV energia natychmiastowych kwantów  7 MeV energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem 200 MeV spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)