FIZYKA III MEL Fizyka jdrowa i czstek elementarnych

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

Reakcje jądrowe

„Historyczne” reakcje jądrowe 1919 E. Rutherford 4 He + 14 N 2 7 powietrze 17 O 8 +p (Q = -1. 19 Me. V) błyski na ekranie scyncylacyjnym Zn. S transmutacja – zamiana jednego jądra na inne 1932 protony z generatora Cocrofta-Waltona p + 73 Li 42 He + 42 He (Q > 0) Bariera kulombowska – potrzebna niezerowa energia pocisku

„Historyczne” reakcje jądrowe 1932 Chadwick: odkrycie neutronu 4 He 2 + 94 Be 4 He 2 + 95 B 12 C 6 11 N 7 +n +n Źródło neutronów Ra-Be: Be ( , n) C B ( , n) N

Reakcje jądrowe deuter d +d 31 H + p (Q = 4. 03 Me. V) d +d 32 He + n (Q = 3. 27 Me. V) try nt+ 63 Li 31 H + 42 He 3 H 1 + 21 H n + 42 He (Q = 17. 58 Me. V) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 Me. V)

Reakcje jądrowe fotoreakcja +d n + p (Q = -2. 22 Me. V) sztuczna promieniotwórczość – F. i I. Joliot-Curie 4 He 2 + 27 Al 13 30 P 15 +n 30 Si 14 + 105 B 137 N + n d + 126 C 137 N + n p + 126 C 137 N + (Q = -2. 69 Me. V) + e + + e 13 N 7 13 + + C + e 6 e

Wychwyt neutronu Enrico Fermi n+ 27 Al 13 24 Na 11 24 Na 11 + 24 Mg 12 + e + e reakcja aktywacji srebra: n+ 107 Ag 47 108 Ag 47 + 108 Ag 108 Cd + e + 47 48 e

Reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B +. . . a+A a + A* rozpraszanie elastyczne rozpraszanie nieelastyczne Energie: • niskie < 20 Me. V • średnie do kilkaset Me. V • wielkie do kilku Ge. V • 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 przekrój czynny

n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3 - efektywna powierzchnia centrów, m 2 Sdx - objętość warstwy k. Sdx - ilość centrów w warstwie k. Sdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy S (bez przekrywania) 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 m 2 (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120)

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

symetria azymutalna: oś zderzenia w ogólności:

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

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: reakcja 2 H + 2 H 3 He + n 1 1 2 ładunek 1 +1 = 2 + 0 p + 73 Li 74 Be + n 1+3=4+0 4 He 2 + + 94 Be 11 B 5 12 C 6 14 N 7 +n +n liczba nukleonów 2+2=3+1 1+7=7+1 2+4=6+0 4 + 9 = 12 + 1 2+5=7+0 4 + 11 = 14 + 1

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

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

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: I. pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone jądro zlożone II. rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie

Model jądra złożonego a+ A ZX C* I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia C’* + C’* b 1 + Y 1 + … b 2 + Y 2 + … II etap np. : 42 He + 60 Ni 28 64 p+ 63 Cu 29 30 Zn* 62 Zn 30 + 2 n 63 Zn 30 +n

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) Me. V

Reakcje bezpośrednie 2 H 1 H b 16 O 17 O stripping (zdarcie): d + 16 O p + 17 O (Q=1. 92 Me. V)

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

Reakcje bezpośrednie liczba protonów • twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n, p) jądro złożone (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 syntez a jądr owa rozszcz epienie

Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów n+ 238 U 92 239 U 92 reakcja przez jądro złożone + 239 U 92 239 Np 93 + 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