Nuklearne reakcije su klasificirane. Nuklearne reakcije

Općenito, nuklearna interakcija može se napisati u obliku:

Najčešći tip nuklearne reakcije je interakcija lake čestice a s jezgrom X, što rezultira stvaranjem čestice b i jezgra Y. Ovo je simbolično napisano ovako:

Uloga čestica a I b najčešće obavlja neutron n, proton str, deuteron d, α-čestica i γ-kvant.

Proces (4.2) obično se odvija dvosmisleno, budući da se reakcija može odvijati na nekoliko konkurentskih načina, tj. čestice nastale kao rezultat nuklearne reakcije (4.2) mogu biti različite:

.

Ponekad se nazivaju različite mogućnosti za odvijanje nuklearne reakcije u drugom stupnju reakcijski kanali. Početna faza reakcija se naziva ulazni kanal.

Posljednja dva kanala reakcije odnose se na slučajeve neelastičnog ( A 1 + a) i elastična ( A + a) nuklearno raspršenje. Ovi posebni slučajevi nuklearnog međudjelovanja razlikuju se od ostalih po tome što se produkti reakcije podudaraju s česticama koje ulaze u reakciju, a kod elastičnog raspršenja ne samo da se čuva vrsta jezgre, već i njezino unutarnje stanje, a kod neelastičnog raspršenja, unutarnje stanje jezgre se mijenja (jezgra postaje pobuđeno stanje).

Slika 4.1. Kvalitativna ovisnost vjerojatnost nuklearnog raspada ovisno o energiji.

Pri proučavanju nuklearne reakcije od interesa je identificirati reakcijske kanale i usporednu vjerojatnost njezina odvijanja kroz različite kanale pri različitim energijama upadnih čestica. Jezgre se mogu nalaziti u različitim energetska stanja. Stanje stabilne ili radioaktivne jezgre koje odgovara minimalnoj energiji (masi) E 0 naziva glavnim. Iz kvantna mehanika poznato je da između energije stanja i njegova vijeka postoji Heisenbergova relacija: ΔE = ć / Δt,

Iskustvo uzbuđenih jezgri razne vrste energetski prijelazi. Energija pobude može se osloboditi različitim kanalima (prijenosom jezgre u osnovno stanje): emisijom γ kvanta, nuklearnom fisijom itd. Zbog toga se uvodi koncept djelomične širine razine Γi. Djelomična širina rezonantne razine je vjerojatnost raspada prema ja- kanal. Zatim vjerojatnost raspada po jedinici vremena ω može se predstaviti kao:

.

Također je od velikog interesa energija i kutna raspodjela nastalih čestica, te njihovo unutarnje stanje (energija pobude, spin, paritet, izotopski spin).

Mnogo informacija o nuklearnim reakcijama može se dobiti primjenom zakona očuvanja.

Više detaljne informacije Možete pogledati ovaj odjeljak.

Nuklearna reakcija je proces preraspodjele jezgre, popraćen stvaranjem novih čestica, koji nastaje pod utjecajem ili kao rezultat međudjelovanja dviju jezgri ili jezgre i čestice kada se približavaju udaljenostima na kojima djelovanje nuklearne sile se počinju manifestirati.

U laboratorijskim uvjetima Nuklearne reakcije odvijaju se uglavnom bombardiranjem jezgri snopovima brzih čestica. Kao rezultat sudara pojavljuju se nove čestice, energija i količina gibanja čestica se preraspodjeljuju.

Reakcija se bilježi ili u obliku sličnom zapisu kemijskih reakcija:

Ili, što je češće u nuklearnoj fizici, kao

gdje je a čestica snopa, A je ciljna jezgra, emitirana čestica, B je produkt jezgre (ili konačna jezgra).

Potpuni zapis nuklearne reakcije sadrži simbole elemenata, broj naboja i masene brojeve. Na primjer, prva reakcija koju je izveo Rutherford 1919. može se napisati kao

Ako govorimo o o općem tipu reakcije, bez obzira na pojedinu vrstu mete, tada se unos vrši u sljedećem obliku:

Prvo slovo u zagradama označava vrstu upadne čestice, a slovo (ili slova) iza decimalne točke označavaju koje čestice nastaju kao rezultat reakcije osim povratne jezgre.

Sudar čestice koja bombardira s ciljanom jezgrom može uzrokovati različite učinke:

1. Elastično raspršenje je interakcija u kojoj čestica i jezgra zadržavaju svoju individualnost i dolazi samo do preraspodjele njihove kinetičke energije. Kretanje čestica nakon međudjelovanja pokorava se zakonima elastičnog udara. Sastav i unutarnja energija jezgre, kao i vrsta čestice, ne mijenjaju se:

2. Neelastično raspršenje. U tom slučaju se emitira čestica iste vrste kao i upadna, ali konačna jezgra nastaje u pobuđenom stanju, što je označeno zvjezdicom. Sastav jezgre također se ne mijenja:

3. Sama nuklearna reakcija je interakcija u kojoj se mijenjaju unutarnja svojstva i sastav ciljne jezgre i oslobađa se nova čestica:

Svaka od ovih vrsta jednadžbi određuje, kako se kaže, vlastiti reakcijski kanal.

Presjeci i prinosi nuklearnih reakcija.

Pri proučavanju nuklearne reakcije nastoje se utvrditi: vjerojatnost njenog odvijanja kroz različite kanale pri različitim energijama upadnih čestica - takozvani "prinos" ove reakcije, kutna i energetska raspodjela produkata reakcije.

Kao što je već spomenuto, efektivni presjek reakcije izražava vjerojatnost da se određena transformacija dogodi pri bombardiranju jezgre gustoćom od 1 čestice u sekundi ako meta sadrži jezgre i na nju padne tok od I čestica u 1 sekundi , tada se nuklearne transformacije događaju u 1 sekundi. Ukupni efektivni presjek je zbroj presjeka procesa u svim kanalima

Važna karakteristika reakcije je ovisnost efektivnog presjeka o energiji upadne čestice:

Te se ovisnosti nazivaju funkcijama pobude nuklearne reakcije.

Prinos reakcije pri danoj energiji upadnih čestica, tj. omjer broja reakcijskih događaja koji su se dogodili i broja čestica koje padaju na cilj, pod uvjetom da isti tok bombardirajućih čestica pada na sve ciljne jezgre. Prinos se može izračunati poznavanjem efektivnog presjeka procesa gdje je broj ciljnih atoma u stupcu s presjekom i visinom jednakim debljini cilja

Ako je gustoća ciljne tvari, onda

Za debelu metu, u kojoj postoji i promjena energije i smanjenje toka čestica, izraz za prinos nuklearnih reakcija ima složeniji oblik.

Proučavanje nuklearnih reakcija odigralo je veliku ulogu u razvoju ideja o strukturi jezgri, što je dalo opsežne podatke o spinovima i paritetima pobuđenih stanja jezgri i pridonijelo razvoju modela ljuske. Proučavanje reakcija koje uključuju izmjenu nekoliko nukleona između jezgri u sudaru omogućilo je proučavanje nuklearne dinamike u stanju s velikim kutnim momentom. Kao rezultat toga, otkrivene su duge rotacijske trake, koje su poslužile kao jedna od osnova za stvaranje generaliziranog modela jezgre. Pri sudaru teških jezgri nastaju jezgre koje ne postoje u prirodi. Sinteza transuranijevih elemenata uvelike se temelji na fizici međudjelovanja teških jezgri. U reakcijama s teškim ionima nastaju jezgre koje su udaljene od vrpce β-stabilnosti. Jezgre udaljene od pojasa β-stabilnosti razlikuju se od stabilnih jezgri po drugačijem odnosu između kulonskih i nuklearnih interakcija, odnosu broja protona i broja neutrona te značajnim razlikama u energijama vezanja protona i neutrona, što se očituje u novim vrstama radioaktivnog raspada - protonska i neutronska radioaktivnost i niz drugih specifične značajke atomske jezgre.
Pri analizi nuklearnih reakcija potrebno je uzeti u obzir valnu prirodu čestica u interakciji s jezgrama. Valna priroda procesa međudjelovanja čestica s jezgrama jasno se očituje u elastičnom raspršenju. Dakle, za nukleone s energijom od 10 MeV, reducirana de Broglieva valna duljina manja je od polumjera jezgre, a kada se nukleon rasprši, pojavljuje se karakterističan obrazac maksimuma i minimuma difrakcije. Za nukleone s energijom od 0,1 MeV valna duljina je veća od polumjera jezgre i nema difrakcije. Za neutrone s energijom<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Nuklearne reakcije su učinkovita metoda za proučavanje nuklearne dinamike. Nuklearne reakcije nastaju kada dvije čestice međusobno djeluju. Tijekom nuklearne reakcije postoji aktivna izmjena energije i momenta između čestica, što rezultira stvaranjem jedne ili više čestica koje odlete iz područja interakcije. Kao rezultat nuklearne reakcije dolazi do složenog procesa restrukturiranja atomska jezgra. Kao i kod opisa strukture jezgre, kod opisa nuklearnih reakcija gotovo je nemoguće dobiti točno rješenje problema. I kao što je struktura jezgre opisana različitim nuklearnim modelima, tijek nuklearne reakcije opisan je različitim reakcijskim mehanizmima. Mehanizam nuklearne reakcije ovisi o nekoliko čimbenika - vrsti upadne čestice, vrsti ciljne jezgre, energiji upadne čestice i nizu drugih čimbenika. Jedan od ograničavajućih slučajeva nuklearne reakcije je izravna nuklearna reakcija. U ovom slučaju, upadna čestica prenosi energiju na jedan ili dva nukleona jezgre, a oni napuštaju jezgru bez interakcije s drugim nukleonima jezgre. Karakteristično vrijeme za odvijanje izravne nuklearne reakcije je 10 -23 s. Izravne nuklearne reakcije odvijaju se na svim jezgrama pri bilo kojoj energiji upadne čestice. Izravne nuklearne reakcije koriste se za proučavanje jednočestičnih stanja atomskih jezgri, jer Produkti reakcije nose informacije o položaju razina s kojih je nukleon izbačen. Korištenjem izravnih nuklearnih reakcija dobivene su detaljne informacije o energijama i popunjenosti jednočestičnih stanja jezgri, što je činilo osnovu modela ljuske jezgre. Drugi ograničavajući slučaj su reakcije koje se javljaju kroz stvaranje složene jezgre.

Opis mehanizma nuklearnih reakcija dan je u djelima W. Weiskopfa.

V. Weiskopf: “Što se događa kada čestica uđe u jezgru i sudari se s jednim od nuklearnih sastojaka? Slika ilustrira neke od ovih mogućnosti.
1) Čestica koja pada gubi dio svoje energije, podižući nuklearnu česticu u više stanje. To bi bio rezultat neelastičnog raspršenja ako nadolazeća čestica ostane s dovoljno energije da ponovno pobjegne iz jezgre. Taj se proces naziva izravno neelastično raspršenje jer uključuje raspršenje na samo jednoj komponenti jezgre.
2) Čestica koja pada prenosi energiju na zajedničko gibanje, kao što je simbolično prikazano na drugom dijagramu slike, to je također izravna interakcija.
3) U trećem dijagramu slike, prenesena energija je dovoljno velika da iščupa nukleon iz mete. Ovaj proces također pridonosi izravnoj nuklearnoj reakciji. U načelu se ne razlikuje od 1), odgovara "reakciji izmjene".
4) Dolazna čestica može izgubiti toliko energije da ostane vezana unutar jezgre, prenesenu energiju može preuzeti nisko ležeći nukleon na takav način da ne može napustiti jezgru. Tada dobivamo pobuđenu jezgru koja ne može emitirati nukleon. Ovo stanje nužno dovodi do daljnje ekscitacije nukleona unutarnjim sudarima, pri čemu se energija po pobuđenoj čestici u prosjeku smanjuje, tako da u većini slučajeva nukleon ne može napustiti jezgru. Posljedično, doći će do stanja s vrlo dugim životnim vijekom, koje se može raspasti samo ako jedna čestica kroz sudar unutar jezgre slučajno dobije dovoljno energije da napusti jezgru. Ovu situaciju nazivamo stvaranjem složene jezgre. Energija se također može izgubiti zračenjem, nakon čega emisija čestice postaje energetski nemoguća: upadni nukleon doživjet će radijacijsko hvatanje.
5) Formiranje složene jezgre može se izvesti u dva ili više koraka ako nakon procesa tipa 1) ili 2) upadni nukleon udari drugi nukleon na svom putu i pobudi ga na takav način da pobjegne iz ispada da je jezgra nemoguća za bilo koji nukleon.”

Po prvi put, ideju o pojavi nuklearne reakcije kroz fazu složene jezgre izrazio je N. Bohr. Prema modelu složene jezgre, upadna čestica, nakon interakcije s jednim ili dva nukleona jezgre, prenosi većinu svoje energije na jezgru i biva zarobljena od strane jezgre. Životni vijek složene jezgre puno je duži od vremena leta upadne čestice kroz jezgru. Energija koju upadna čestica unese u jezgru preraspodjeljuje se između nukleona jezgre sve dok se značajan dio ne koncentrira na jednu česticu i tada izleti iz jezgre. Stvaranje dugotrajnog pobuđenog stanja može dovesti do njegove fisije kao rezultat deformacije.

N. Bor: “Fenomen hvatanja neutrona navodi nas na pretpostavku da sudar između brzog neutrona i teške jezgre mora prvenstveno dovesti do formiranja složenog sustava kojeg karakterizira izuzetna stabilnost. Mogući naknadni raspad ovog međusustava s emisijom materijalne čestice ili prijelaz u konačno stanje s emisijom kvanta energije zračenja treba promatrati kao neovisne procese koji nemaju izravnu vezu s prvom fazom sudar. Ovdje se susrećemo sa značajnom razlikom, do sada neprepoznatom, između pravih nuklearnih reakcija - običnih sudara brzih čestica i atomskih sustava - sudara, koji su nam do sada bili glavni izvor informacija o strukturi atoma. Uistinu, mogućnost brojanja pojedinačnih atomskih čestica putem takvih sudara i proučavanja njihovih svojstava posljedica je, prije svega, "otvorenosti" sustava koji se razmatraju, što čini razmjenu energije između pojedinačnih sastavnih čestica tijekom sudara vrlo malo vjerojatnom. . Međutim, zbog tijesnog pakiranja čestica u jezgri, moramo biti spremni na činjenicu da upravo ta izmjena energije igra glavnu ulogu u tipičnim nuklearnim reakcijama.”

Klasifikacija nuklearnih reakcija. Nuklearne reakcije učinkovito su sredstvo proučavanja strukture atomskih jezgri. Ako je valna duljina upadne čestice veća od veličine jezgre, tada se u takvim pokusima dobiva informacija o jezgri kao cjelini. Ako je veličina jezgre manja, tada se iz reakcijskih presjeka izvlače informacije o raspodjeli gustoće nuklearne tvari, strukturi površine jezgre, korelaciji između nukleona u jezgri i raspodjeli nukleona u jezgri. školjke.

• Coulombovsko pobuđivanje jezgri pod utjecajem nabijenih čestica relativno velike mase (protona, α-čestica i teških iona ugljika i dušika) koristi se za proučavanje nisko ležećih rotacijskih razina teških jezgri.
• Reakcije s teškim ionima na teškim jezgrama, koje dovode do fuzije jezgri u sudaru, glavna su metoda za proizvodnju superteških atomskih jezgri.
• Reakcije fuzije lakih jezgri pri relativno niskim energijama sudara (tzv. termonuklearne reakcije). Ove reakcije nastaju zbog kvantnog mehaničkog tuneliranja kroz Coulombovu barijeru. Termonuklearne reakcije odvijaju se unutar zvijezda na temperaturama od 10 7 –10 10 K i glavni su izvor energije za zvijezde.
• Fotonuklearne i elektronuklearne reakcije nastaju u sudarima s jezgrama γ-kvanta i elektrona s energijom E > 10 MeV.
• Reakcije fisije teških jezgri, praćene dubokim restrukturiranjem jezgre.
• Reakcije pomoću snopova radioaktivnih jezgri otvaraju mogućnost dobivanja i proučavanja jezgri s neobičnim omjerom broja protona i neutrona, daleko od linije stabilnosti.

Nuklearne reakcije obično se klasificiraju prema vrsti i energiji upadne čestice, vrsti ciljne jezgre i energiji upadne čestice.

Reakcije sa sporim neutronima

“1934. Jednog jutra Bruno Pontecorvo i Eduardo Amaldi ispitivali su neke metale na radioaktivnost. Ti su uzorci oblikovani u male, šuplje cilindre jednake veličine, unutar kojih se mogao smjestiti izvor neutrona. Za ozračivanje takvog cilindra u njega je umetnut izvor neutrona, a potom je sve stavljeno u olovnu kutiju. Ovog značajnog jutra, Amaldi i Pontecorvo proveli su pokuse sa srebrom. I odjednom je Pontecorvo primijetio da se nešto čudno događa sa srebrnim cilindrom: njegova aktivnost nije uvijek bila ista, mijenjala se ovisno o tome gdje je bio postavljen, u sredini ili u kutu olovne kutije. U potpunoj zbunjenosti, Amaldi i Pontecorvo otišli su prijaviti ovo čudo Fermiju i Rasettiju. Franke je te neobičnosti bio sklon pripisati nekoj statističkoj pogrešci ili netočnim mjerenjima. A Enrico, koji je vjerovao da svaki fenomen zahtijeva provjeru, predložio je da pokušaju ozračiti ovaj srebrni cilindar izvan olovne kutije i vidjeti što će iz njega izaći. A onda su počeli doživljavati apsolutno nevjerojatna čuda. Pokazalo se da predmeti koji se nalaze u blizini cilindra mogu utjecati na njegovu aktivnost. Ako je cilindar ozračen dok je stajao na drvenom stolu, njegova aktivnost je bila veća nego kada je stavljen na metalnu ploču. Sada se cijela grupa zainteresirala za ovo i svi su sudjelovali u eksperimentima. Postavili su izvor neutrona izvan cilindra i postavili razne predmete između njega i cilindra. Olovna ploča malo je povećala aktivnost. Dovesti−teška tvar. "Hajde, probajmo sada onaj lakši!"−predložio je Fermi.−Recimo parafin." Ujutro 22. listopada izveden je pokus s parafinom.
Uzeli su veliki komad parafina, izdubili rupu u njemu, unutra stavili izvor neutrona, ozračili srebrni cilindar i donijeli ga Geigerovom brojaču. Mjerač je škljocnuo kao da se otkinuo s lanca. Cijela je zgrada grmjela od uzvika: “Nezamislivo! Nezamislivo! Crna magija!" Parafin je stostruko povećao umjetnu radioaktivnost srebra.
U podne se skupina fizičara nevoljko razišla na pauzu predviđenu za doručak, koja je obično trajala dva sata... Enrico je iskoristio njegovu usamljenost, a kad se vratio u laboratorij, već je imao spremnu teoriju koja je objašnjavala čudne učinak parafina.”

11.1. Definicija i klasifikacija nuklearnih reakcija. postoje različita tumačenja termin nuklearne reakcije. U širem smislu, nuklearna reakcija je svaki proces koji počinje sudarom dviju, rijetko nekoliko čestica (jednostavnih ili složenih) i odvija se, u pravilu, uz sudjelovanje jake interakcije. Ovu definiciju zadovoljava nuklearne reakcije u užem smislu riječi, pod kojima se podrazumijevaju procesi koji započinju sudarom jednostavne ili složene čestice (nukleona, α- čestica, γ-kvant) s jezgrom. Imajte na umu da je definicija reakcije zadovoljena, kao poseban slučaj, raspršenjem čestica. Dolje su navedena dva primjera nuklearnih reakcija.

Povijesno gledano, prva nuklearna reakcija (Rutherford, 1919. - otkriće protona):

α + 14 N → 17 O + r.

Otkriće neutrona (Chadwick, 1932.):

α + 9 Be → 12 C + n.

Proučavanje nuklearnih reakcija potrebno je za dobivanje informacija o svojstvima novih jezgri i elementarnih čestica, pobuđenim stanjima jezgri itd. Ne treba zaboraviti da se u mikrosvijetu, zbog prisutnosti kvantnih zakona, česticu ili jezgru ne može “gledati”. Stoga je glavna metoda proučavanja mikroobjekata proučavanje njihovih sudara, odnosno nuklearnih reakcija. Što se tiče primjene, nuklearne reakcije potrebne su za korištenje nuklearne energije, kao i za proizvodnju umjetnih radionuklida.

Nuklearne reakcije mogu se odvijati u prirodnim uvjetima (na primjer, u unutrašnjosti zvijezda ili u kozmičkim zrakama). Ali njihova studija obično se provodi u laboratorijskim uvjetima, u eksperimentalnim objektima. Za izvođenje nuklearnih reakcija potrebno je dovesti čestice ili jezgre zajedno s jezgrama na udaljenosti reda radijusa djelovanja nuklearnih sila. Coulombova barijera sprječava približavanje nabijenih čestica jezgri. Stoga se za izvođenje nuklearnih reakcija na nabijenim česticama koriste akceleratorima, u kojem čestice, ubrzavajući se u električnom polju, dobivaju energiju potrebnu za prevladavanje barijere. Ponekad je ta energija usporediva s energijom mirovanja čestice ili je čak i premašuje: u tom slučaju gibanje je opisano zakonima relativističke mehanike. U konvencionalnim akceleratorima ( linearni akcelerator, ciklotron itd.) teža od dviju čestica koje se sudaraju, u pravilu, miruje, a lakša se s njom sudara. Čestica u mirovanju naziva se cilj (engleski– cilj). Napadači, odn bombardiranje, čestice na ruskom nisu dobile posebno ime (in engleski koristi se izraz projektil – projektil). U akceleratorima sudarajuće zrake ( sudarači) obje čestice koje se sudaraju se gibaju, pa podjela na metu i snop upadnih čestica gubi smisao.

Energija nabijene čestice u reakciji može biti manja od visine Coulombove barijere, kao što je bio slučaj u klasičnim pokusima J. Cockcrofta i E. Waltona, koji su 1932. godine umjetno razdvojili jezgre litija bombardirajući ih ubrzanim protonima. . U njihovim eksperimentima, prodor protona u ciljnu jezgru dogodio se tuneliranjem kroz Coulombovu potencijalnu barijeru (vidi predavanje 7). Vjerojatnost takvog procesa je, naravno, vrlo niska zbog niske prozirnosti barijere.

Postoji nekoliko načina simboličkog pisanja nuklearnih reakcija, od kojih su dva navedena u nastavku:

Skup čestica koje se sudaraju u određenom kvantnom stanju (npr. r i 7 Li) nazivaju se ulazni kanal nuklearna reakcija. U sudarima istih čestica (fiksan ulazni kanal), u općem slučaju, mogu se pojaviti različiti produkti reakcije. Dakle, u sudarima protona sa 7 Li, reakcije 7 Li( str, 2α), 7 Li( str, n) 7 Be, 7 Li( str, d) 6 Be itd. U ovom slučaju govorimo o konkurentskim procesima, odnosno o skupu izlazni kanali.

Nuklearne reakcije često se pišu u još kraćem obliku: ( a, b) – tj. označavajući samo svjetlosne čestice, a ne označavajući jezgre uključene u reakciju. Na primjer, unos ( str, n) znači izbacivanje neutrona od strane protona iz jezgre, ( n, γ ) – apsorpcija neutrona jezgrom uz emisiju γ - kvanti itd.

Klasifikacija nuklearnih reakcija može se provesti prema sljedećim kriterijima:

I. Po vrsti procesa

1) hvatanje zračenja: ( n, γ ), (str, γ )

2) nuklearni fotoelektrični efekt: ( γ , n), (γ , str)

3) nukleon-nukleonske reakcije:

a) izbacivanje nukleona ili grupe nukleona ( n,str), (str, α), itd.

b) “isparavanje” nukleona ( str, 2n), (str, 2str) itd.

c) kvar ( d,str), (d,n) i preuzimanje ( str,d), (n,d)

4) podjela: ( n, f), (str, f), (γ , f)

5) sinteza (fuzija)

6) neelastično raspršenje: ( n,n')

7) elastično raspršenje: ( n,n)

II. Na temelju oslobađanja ili apsorpcije energije

1) egzotermne reakcije

2) endotermne reakcije

III. Energijom bombardiranja čestica

1) niske energije (< 1 кэВ)

2) srednje energije (1 keV-10MeV)

3) visoke energije (> 10 MeV)

IV. Masom bombardiranih jezgri

1) na lakim jezgrama ( A < 50)

2) na jezgrama srednje mase (50<A < 100)

3) na teškim jezgrama ( A > 100)

V. Po vrsti bombardiranja čestica

1) na nabijene čestice ( str, d, α i teži ioni)

2) na neutrone

3) na fotone (fotonuklearne reakcije)

11.2. Zakon održanja energije. Za samu nuklearnu reakciju opći pogled

A + B → C+ D+E+…

Napišimo zakon održanja energije u smislu energija mirovanja i kinetičkih energija:

Veličina Q, definirana kao razlika energije mirovanja:

nazvao energija reakcije. Očito je da

Ako Q> 0, tada se ova reakcija naziva egzotermna. U ovom slučaju Q je razlika između kinetičkih energija svih sudionika u reakciji prije i nakon ekspanzije, definirana u koordinatnom sustavu povezanom sa središtem tromosti (SCI, ili ts-sustav). Egzotermna reakcija može se dogoditi pri bilo kojoj vrijednosti kinetičke energije čestica koje se sudaraju, uključujući nulu.

Ako Q < 0, то реакцию называют endoterman. Reverzna reakcija egzotermne reakcije uvijek je endotermna i obrnuto. Veličina – Q V ts-sustav je minimalna kinetička energija sudarajućih čestica pri kojoj je reakcija još moguća, ili, prag reakcije.

Kada prelazite na laboratorijski koordinatni sustav (slika 11.1), LCS ili jednostavno l-sustav, u kojem jedna od reagirajućih čestica miruje - ciljna vrijednost praga reakcije E por povećava jer dio kinetičke energije odlazi na kretanje centra tromosti koji je beskoristan za reakciju. Doista, kinetička energija gibanja centra tromosti može biti proizvoljno velika, ali ako čestice miruju jedna u odnosu na drugu, reakcija se neće dogoditi.

Za određivanje praga reakcije u l-sustav Iskoristimo činjenicu da masa, a time i energija mirovanja, jest nepromjenjiv, tj. veličina koja ne ovisi o izboru koordinatnog sustava. Jer , zatim za bilo koji broj čestica

Ako je u reakciji koja se razmatra meta čestica U, zatim unutra l-sustav

U ts-sustav

Kao što je gore spomenuto, prag je ts-sustav odgovara rađanju čestica S, D itd. s nultom kinetičkom energijom, tj. itd. I . Invarijanta mase u l-sustav

Invarijanta mase koja odgovara pragu in ts-sustav

Ako sada izjednačimo dvije dobivene invarijante za , tada

. (11.3)

Stoga je prag endotermne reakcije uvijek veći od energije reverzne egzotermne reakcije. Q. Kao što se može vidjeti iz dobivenog izraza, što je veća masa mete, niži je prag za endotermnu reakciju.

11.3. Uloga orbitalnog momenta. Kutna količina gibanja čestice s količinom gibanja r, incident na stacionarnu jezgru, jednak je pb, Gdje b– parametar ciljanja. Prema klasičnim konceptima, reakcija se može dogoditi samo u slučajevima kada je taj parametar udara manji od radijusa djelovanja nuklearnih sila, tj. b < R. U kvantnoj mehanici, vrijednost orbitalnog momenta

( – de Broglie valna duljina). Tada nejednakost mora vrijediti

. (11.4)

Za neutron s energijom T= 1 MeV, tj. usporediva s veličinom jezgre. Za neutrone i protone s nižom energijom ona je mnogo veća. Dakle, za čestice niskih i srednjih energija nejednakost (11.4) je zadovoljena, strogo govoreći, samo pod uvjetom l= 0 (rjeđe s l = 1).

Uzimajući u obzir kvantna svojstva sustava, reakcija je načelno moguća za bilo koju l, ali vjerojatnost reakcije naglo pada ako relacija (11.4) nije zadovoljena. Razlog je taj što neutroni u ovom slučaju trebaju prevladati centrifugalnu barijeru. No, kao što je pokazano pri razmatranju emisije γ-kvanta od strane jezgri (predavanje 9), koeficijent prozirnosti centrifugalne barijere

,

one. naglo opada s rastom l. Ako aproksimacija dugih valnih duljina više ne vrijedi (tj. čestice koje bombardiraju imaju vrlo visoku energiju), interakcija je također moguća s l, različit od nule.

11.4. Presjek i iskorištenje nuklearne reakcije. Kvantitativni opis nuklearnih reakcija sa stajališta kvantne mehanike može biti samo statistički, tj. onaj u kojem se u principu može govoriti samo o vjerojatnosti same reakcije su odjeljak I Izlaz, čija je definicija dana u nastavku. Neka, kada protok čestica pada A na tanku (ali makroskopsku) metu koja sadrži jezgre U, formira se dN C jezgre S(Slika 11.2). Ova količina je proporcionalna broju čestica A, gustoća broja ciljnih čestica n B(m–3) i ciljne debljine dx(m):

.

Odjeljak reakcije A + U → S+ ··· se tada definira kao koeficijent proporcionalnosti, tj.

, (11.5)

Iz definicije (11.5) proizlazi da presjek ima dimenziju površine (m2). U nuklearnoj fizici jedinica presjeka je 1 štala: 1 b = 10 –28 m2.

Vizualno, presjek se može smatrati djelotvornom površinom mete, pri ulasku u koju čestica izaziva potrebnu reakciju. Ali zbog valnih svojstava čestica, takvo tumačenje ima ograničen raspon primjenjivosti. Doista, sa stajališta kvantne mehanike, postoji vjerojatnost da čestica prođe bez otklona kroz područje u kojem na nju djeluju sile različita od nule. Tada će stvarni presjek reakcije biti manji poprečni presjek područje u kojem dolazi do interakcije. U ovom slučaju, po analogiji s optikom, naziva se ciljna jezgra djelomično proziran, ili siva.

U stvarnim fizikalnim eksperimentima nije uvijek moguće izmjeriti presjek reakcije. Direktno mjerljiva veličina je Izlaz reakcija, definirana kao udio čestica snopa koje su reagirale s ciljnim jezgrama. Izrazimo prinos reakcije u smislu njegovog poprečnog presjeka, pod uvjetom da potonji ostaje konstantan dok upadne čestice prolaze kroz metu. Broj jezgri S, koji nastaje u tankom sloju mete kao rezultat reakcije s česticama A, jednako

,

Gdje N 0 – ukupan broj čestica A, uhvaćen u sloju debelom dx, N A– broj čestica koje prolaze kroz sloj bez reakcije. Odavde . Tada, u skladu s (11.5),

Broj čestica A, prolazeći kroz ciljni sloj konačne debljine h, nalazimo integracijom ove jednadžbe:

,

Koristeći definiciju reakcijskog prinosa kao udjela čestica koje su prošle transformaciju, nalazimo da

Tanka meta odgovara malom eksponentu eksponent u usporedbi s jedinicom. U ovom slučaju, proširenje (11.6) u Taylorov niz daje

11.5. Mehanizmi nuklearnih reakcija. Osim klasifikacije dane u paragrafu 11.1., nuklearne reakcije se razlikuju po vremenu, a time i po mehanizmu njihovog odvijanja. Pogodno je koristiti nuklearno vrijeme kao vremensku ljestvicu - vrijeme leta čestice kroz jezgru: τ I = 2R/v≈ 10–22 s (odjeljak 2.2). Očito je da τ otrov– minimalno vrijeme potrebno za izvođenje elementarne radnje najbrže reakcije.

Koristit ćemo sljedeću klasifikaciju reakcija prema njihovom mehanizmu. Ako vrijeme elementarnog čina t r ≈ τ otrov, takve se reakcije nazivaju ravno. Kod izravnih reakcija čestica a prenosi energiju na jedan ili više nukleona jezgre A, nakon čega odmah napuštaju jezgru, bez vremena za razmjenu energije s ostatkom:

a + A → b + B.

Ako t r >> τ otrov, tada reakcija prolazi kroz fazu formiranja složena jezgra:

a + A → S* → b + B.

Pojam složene jezgre uveo je u fiziku N. Bohr 1936. godine. Složena jezgra S*– pobuđeno stanje jezgre S, i energija pobude

(11.7)

Gdje T a– kinetička energija čestice A,W a– energija njegovog odvajanja od jezgre S. Energija pobude se dijeli između A+ A nukleona složene jezgre, a prosječno po nukleonu dolazi

. (11.8)

Dakle, svaki od nukleona pojedinačno nema dovoljno energije za emisiju. Kao rezultat mnogih sudara, čestica A“zapliće” u srž i gubi svoju individualnost. Tek nakon nekog vremena t r>> τ otrov kao rezultat slučajne preraspodjele energije dovoljna količina energije može se koncentrirati na jednom od nukleona (ili skupini nukleona). U tom slučaju nukleon (skupina nukleona) napušta složenu jezgru i raspada se.

Približno procijenite prosječni životni vijek složene jezgre S* može se učiniti na sljedeći način. Pretpostavimo da neposredno nakon sudara čestica postoji raspodjela n kvanti energije pobude između f jednonukleonski stupnjevi slobode. Ukupan broj mogućih distribucija je

. (11.9)

Izvođenje formule (11.9) može se ilustrirati sljedećim vizualnim dijagramom: – distribucija n kvanti-prelazi f stanice odvojene jedna od druge f minus jedan redak. Ukupan broj permutacija (tj. ukupan broj stanja sustava) svih križića i svih crtica jednak je ( n+ f – 1)! Međutim, permutacije samo križića i samo crtica, čiji je broj jednak n! i ( f – 1)! sukladno tome, ne dovode do novih stanja. Kao rezultat toga ispada da je pravi broj država n!(f – 1)! puta manje.

Pretpostavimo nadalje, radi jednostavnosti zaključivanja, da se reakcija emisije nukleona odvija pod utjecajem niskoenergetskih čestica, tako da E* ≈ W a. Tada je za nastavak reakcije potrebno sve koncentrirati n kvanti na jednom stupnju slobode su u ovom slučaju jednaki f. Stav w = f/g i odredit će vjerojatnost da nukleon pobjegne iz složene jezgre, tj. reakcije.

Energija vezanja nukleona s jezgrom iznosi prosječno oko 8 MeV. Veličina ekscitacijskog kvanta je oko 0,5 MeV. Zatim n= 8 MeV/0,5 MeV = 16. S obzirom da je kao rezultat reakcije odvajanje nukleona najvjerojatnije samo od vanjske ljuske, možemo staviti f ≈ n. Zamjenjujući ovo u (11.9), nalazimo da

Za n= 16 imamo w= 5∙10 –8. Promjene stanja jezgre događaju se učestalošću od 1/ τ otrov, dakle konstanta raspada složene jezgre λ C* = w /τ otrov, i prosječni životni vijek τ S* = 1/λ C*– oko 10–14 s. Tako stvarno τ S*>> τ otrov.

Može se primijetiti da se složena jezgra ne razlikuje bitno od radioaktivne jezgre. Također ima tendenciju gubitka energije zbog bilo kojeg procesa koji je moguć u danim uvjetima. O jednom od tih procesa (apstrakcija nukleona) već je bilo riječi. Za složenu jezgru, nekoliko kanala raspada može postojati istovremeno. Osim toga, prijelaz u osnovno stanje može se dogoditi kao rezultat emisije γ-kvanta (ova reakcija se naziva hvatanje zračenja). Emisija γ kvanta od strane jezgre događa se pod utjecajem elektromagnetskih sila, tj. na nuklearnoj vremenskoj skali također je prilično spor (nakon 10–11–10–7 s - vidi odjeljak 9.3). Stoga se reakcije hvatanja zračenja također odvijaju kroz složenu jezgru.

Presjek reakcije koja se odvija kroz složenu jezgru može se napisati u obliku

, (11.11)

Gdje w b– vjerojatnost raspada složene jezgre putem kanala b, i

Ovisnost presjeka nuklearne reakcije o kinetičkoj energiji upadnih čestica naziva se funkcija uzbude.

Povezane informacije.

Emisija elementarnih čestica i toplinska energija. Nuklearne zrake mogu biti popraćene i oslobađanjem energije i njezinom apsorpcijom. Količina energije naziva se energija ri i razlika je u masama početne i konačne jezgre. Klasifikacije prema sljedećim kriterijima: L prema energiji, element čestica sudjeluje u nuklearnim radijima: pri niskim energijama 1 eV, radijima na sporim neutronima: radijima na električnim česticama srednje energije s nabojem čestica elektroni protoni ioni deuteroni = 1MeV. ; na česticama visoke energije od 103 MeV, kozmičke zrake proizvode čestice u akceleratorima...

Podijelite svoj rad na društvenim mrežama

Ako vam ovaj rad ne odgovara, na dnu stranice nalazi se popis sličnih radova. Također možete koristiti gumb za pretraživanje

45. Nuklearne reakcije i njihova klasifikacija

Nuklearne reakcije su proces intenzivnog međudjelovanja atomske jezgre s elementarnom česticom ili s drugom jezgrom, što dovodi do transformacije jezgri. Emisija elementarnih čestica i toplinska energija. Međudjelovanje čestica koje reagiraju događa se kada se one približe jedna drugoj na udaljenost reda veličine 10° 13 cm zbog djelovanja nuklearnih sila. Najčešći nuklearna reakcija je, laka čestica međudjeluje, i s jezgrom X , rezultirajuća slika električne čestice b i jezgra X. Nuklearne reakcije mogu biti popraćene i oslobađanjem energije i njezinom apsorpcijom. Količina energije naziva se p-energija - to je razlika u masama početne i konačne jezgre. Klasifikacije prema karakteristikama u tragovima: L u energetskom smislu element čestica sudjeluje u nuklearnim reakcijama: pri niskim energijama 1 eV - reakcije na sporim neutronima: reakcije na električnim česticama srednje energije s nabojem čestica - elektrona, protona, iona, deuterona >= 1 MeV; na česticama visoke energije (~10 3 MeV - kozmičke zrake, čestice se proizvode u akceleratorima) po prirodi uključeni element su neutroni čestica; na nabijene čestice; uzrokovane y-kvantima, po prirodi (masi) jezgri sudjeluju u raspodjeli: na plućima (A<50);средних (50<А<100);тяжелых(А>100). P o priroda transformacija: p-radioaktivnost; fisija teških jezgri, lančana fisija; sinteza lakih jezgri u teške, termonuklearne reakcije.

Drugi slični radovi koji bi vas mogli zanimati.vshm>
3041.		Nuklearne sile	4,18 KB
	Dobiveno iz podataka o raspršenju nukleona na nukleonima, kao i iz studija vezanih stanja nukleona atomskih jezgri. postoji značajna privlačnost koja osigurava energiju vezanja nukleona u jezgrama reda nekoliko. Osim toga, kako se broj nukleona u jezgri povećava, energija vezanja po nukleonu ostaje približno konstantna, a volumen jezgre proporcionalno raste. Gustoća energije neutronskih zvijezda ne ovisi o ukupnom broju nukleona i iznosi približno 16 MeV po nukleonu [ako zanemarimo elektron.
8005.		REAKCIJE PREOSJETLJIVOSTI	120,3 KB
	Reakcije preosjetljivosti tipa I mogu biti sustavne ili lokalne. Lokalne reakcije ovise o lokaliziranom oticanju kože; alergijski rinitis i konjunktivitis; bronhijalna astma ili alergija na hranu. Reakcije preosjetljivosti tipa I Anafilaktičke reakcije Poznato je da reakcije preosjetljivosti tipa I...
2916.		TERMONUKLEARSNE REAKCIJE	14,33 KB
	Ove reakcije obično uključuju oslobađanje energije, budući da se u težoj jezgri nastaloj kao rezultat spajanja nukleoni jače vežu, višak ukupne energije vezivanja nukleona oslobađa se u obliku kinetičke energije produkata reakcije. Naziv "termonuklearne reakcije" odražava činjenicu da se te reakcije odvijaju na visokim temperaturama od 107108 K jer se za fuziju lake jezgre moraju približiti na udaljenosti jednake polumjeru djelovanja nuklearnih privlačnih sila, tj.
3668.		Reverzibilne i ireverzibilne reakcije	24,08 KB
	Kemijska ravnoteža Neke kemijske reakcije mogu se odvijati u dva međusobno suprotna smjera. Takve se reakcije nazivaju reverzibilnim. Reverzibilnost kemijskih reakcija zapisuje se na sljedeći način: A B  B Kad se kemijska reakcija dogodi, koncentracije polaznih tvari opadaju u skladu sa zakonom o djelovanju masa.
14693.		Oksidacijsko-redukcijske reakcije (ORR)	87,39 KB
	Oksidacijsko stanje je uvjetni naboj atoma u spoju, izračunat pod pretpostavkom da se sastoji samo od iona. ─ oksidacijsko stanje imaju atomi koji su prihvatili elektrone od drugih atoma ili su prema njima pomaknuti povezujući elektronski oblaci. Oksidacijsko stanje je za atome koji su predali svoje elektrone drugim atomima.
524.		Obrambene reakcije organizma	5,56 KB
	Zaštitne reakcije tijela Čovjek se stalno prilagođava promjenjivim uvjetima okoline zahvaljujući homeostazi, univerzalnom svojstvu očuvanja i održavanja stabilnosti različitih tjelesnih sustava kao odgovor na utjecaje koji narušavaju tu stabilnost. Bilo koji fiziološki, fizički, kemijski ili emocionalni utjecaji, bilo da se radi o temperaturi zraka, promjenama atmosferskog tlaka ili uzbuđenju, mogu uzrokovati da tijelo izađe iz stanja dinamičke ravnoteže. Zaštitne adaptivne reakcije...
12985.		Imenovane reakcije i reagensi u anorganskoj kemiji	185,79 KB
	Ukupno je poznato više od 1000 nazivnih organskih, anorganskih i analitičkih reakcija. Njihov broj i dalje raste, jer još uvijek ne postoji općeprihvaćena nomenklatura kemijskih reakcija. Imenovanje reakcije po njezinu otkrivaču omogućuje ukratko prenošenje značenja transformacije koja se događa.
14304.		Sinteza p-nitrobenzoil azida i proučavanje njegove reakcije s hepta(metoksikarbonil)cikloheptatrienil anionom	314,46 KB
	Problem niske regioselektivnosti riješen je u Sharpless grupi korištenjem CuI kompleksa generiranih in situ iz pristupačnijih CuII soli redukcijom pod djelovanjem askorbinske kiseline (Shema 2) u kojima se uočava samo stvaranje regioizomera.
8333.		Povijest razvoja računalne tehnologije. Klasifikacija računala. Sastav računalnog sustava. Hardver i softver. Klasifikacija pomoćnog i aplikacijskog softvera	25,49 KB
	Sastav računalnog sustava. Sastav računalnog sustava Razmotrite konfiguraciju hardvera i softvera bilo koji računalni sustav može se podijeliti na serijska i paralelna. Razina sustava je prijelazna i osigurava interakciju drugih programa računalnog sustava kako s programima osnovne razine tako i izravno s hardverom, posebice sa središnjim procesorom.
12050.		Set reagensa za molekularno genetičku dijagnostiku monoklonskih i poliklonskih B-staničnih populacija limfocita metodom lančane reakcije polimerazom (LYMPHOCLON)	17,25 KB
	Izrađen je set reagensa za molekularno genetičku dijagnostiku monoklonskih i poliklonskih B-staničnih populacija limfocita pomoću lančane reakcije polimeraze LYMPHOCLON. Set reagensa LYMPHOCLON namijenjen je diferencijalnoj dijagnostici monoklonskih i poliklonskih B staničnih populacija limfocita u biopsijskom materijalu u parafinskim presjecima tkiva metodom lančane reakcije polimerazom uz detekciju produkata amplifikacije vertikalnom elektroforezom na akrilamidnom gelu. Komplet je namijenjen samo za in vitro dijagnostičku upotrebu.