1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnychWykład 9 – Reakcje jądrowe

2 Reakcje jądrowe

3 „Historyczne” reakcje jądrowe42He + 147N  178O + p (Q = 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

4 „Historyczne” reakcje jądrowe1932 Chadwick: odkrycie neutronu 42He + 94Be  126C + n Be (,n) C 42He + 95B  117N + n B (,n) N Źródło neutronów Ra-Be: 

5 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 = MeV) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 MeV)

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

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

8 Reakcje jądrowe wielkie do kilku GeV kanał wejściowy  kanał wyjściowya + 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

9 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

10 Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

11 Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa

12 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

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

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

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

16 symetria azymutalna: oś zderzenia   w ogólności:

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

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

19 Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku:Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: 21H + 21H  32He + n = = 3 + 1 p + 73Li  74Be + n = = 7 + 1 42He + 94Be  126C + n = = 42He + 115B  147N + n = = reakcja ładunek liczba nukleonów

20 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:

21 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:

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

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

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

25 rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobnekształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji – jądro złożone „nie pamięta” jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku

26 Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella:  temperatura jądra? T  (5,200) MeV

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

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

29 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

30 Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

31 Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidówreakcja przez jądro złożone n U  23992U +  23992U  23993Np + e + e  transuranowce  kolejna przemiana  Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego.

32 Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie – stworzone sztucznieNietrwałe: 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