Wyklad 6 "Reakcje jądrowe"
Transkrypt
Wyklad 6 "Reakcje jądrowe"
FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 9 – Reakcje jądrowe Reakcje jądrowe „Historyczne” reakcje jądrowe 1919 E.Rutherford 4 2He + 147N 178O + p powietrze (Q = -1.19 MeV) błyski na ekranie scyncylacyjnym ZnS transmutacja – zamiana jednego jądra na inne 1932 protony z generatora Cocrofta-Waltona p + 73Li 42He + 42He (Q > 0) Bariera kulombowska – potrzebna niezerowa energia pocisku „Historyczne” reakcje jądrowe 1932 Chadwick: odkrycie neutronu 4 9 Be 12 C + n He + 2 4 6 Be (,n) C 4 9 B 11 N + n He + 2 5 7 B (,n) N Źródło neutronów Ra-Be: Reakcje jądrowe deuter d +d 31H + p d +d 32He + n (Q = 4.03 MeV) (Q = 3.27 MeV) tryt n + 63Li 31H + 42He 3 2 H n + 4 He H + 1 1 2 (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 4 27 Al 30 P + n He + 2 13 15 30 (Q = -2.69 MeV) 30 Si + e+ + P 15 14 e + 105B 137N + n d + 126C 137N + n p + 126C 137N + 13 13 C + e+ + N 7 6 e Wychwyt neutronu Enrico Fermi n + 2713Al 2411Na + 24 Na 24 Mg + e + 11 12 e reakcja aktywacji srebra: n + 10747Ag 10847Ag + 108 Ag 108 Cd + e + 47 48 e Reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B + ... a+A a+A a + A a + A* rozpraszanie elastyczne 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 przekrój czynny 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 S (bez przekrywania) dx ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: dn kSdx n S prawdopodobieństwo oddziaływania dn kdx n n x n0e kx ln n x ln n0 k x pomiar mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) wyznaczamy średnia droga swobodna: n x n 0e kx xe dx 0 e kx dx 0 x pomiar przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10-28 m2 (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120) 1 k Różniczkowy przekrój czynny y z d d d x ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny – prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecą w kierunku wyznaczonym przez kąty i . symetria azymutalna: oś zderzenia 2 d d sin d 2 sin d 0 2 d cos w ogólności: d f d t o t f d 1 1 2 f d cos f() izotropia a f a -1 1 tot 4a podwójny różniczkowy przekrój czynny: d 2 ddE cos Reakcje jądrowe A a B b lub Aa ,bB Zasada zachowania energii: M 2 2 m c M m c Q A a B b Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q < 0 – reakcja endoenergetyczna Energia progowa Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zi Zasada zachowania liczby barionowej: const Ai const przykłady: reakcja 2 1H + 21H 32He + n p + 73Li 74Be + n 4 4 2He 2He + 94Be 126C + n + 115B 147N + n ładunek liczba nukleonów 1 +1 = 2 + 0 2+2=3+1 1+3=4+0 1+7=7+1 2+4=6+0 4 + 9 = 12 + 1 2+5=7+0 4 + 11 = 14 + 1 Kinematyka reakcji A a B b laboratoryjny układ odniesienia: va va Ma układ środka masy: pi 0 vB Ma MA MA vb LAB Mb MB b CM v'b MB B vB 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 Ma vo va Ma M X v'b b 'b vo zasada zach. energii i pędu: Ei i pi i Ef f pf f energia całkowita: E m0c 2 T 2 m c 0i Ti i i 2 m c 0f Tf f f Energia reakcji Q m0 i c 2 m0f c 2 i f Tf Ti f i Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: E T 2 1 1 m0 c 2 m0 c 2 1 2 E 2 m0c 2 m0c 2 pc 2 T m0c 2 2 2 p2 2m0 w przypadku nierelatywistycznym: Ma Mb Mb Ma Q Tb 1 TbTa cos b wyznaczamy Q mierząc Tb i b Ta 1 M 2 M M B B 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 + AZX C* I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia C’* + C’* b1 + Y1 + … b2 + Y2 + … II etap np.: 4 60 Ni He + 2 28 64 p + 6329Cu 62 30Zn + 2n 63 30Zn +n 30Zn* 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: N E dE ~ Ee dE TE N E E ln const E T temperatura jądra? T (5,200) MeV Reakcje bezpośrednie 2H 1H b 16O 17O stripping (zdarcie): d + 16O p + 17O (Q=1.92 MeV) Reakcje bezpośrednie 2H 3H b 16O 15O pick-up (poderwanie): d + 16O 3H + 15O Reakcje bezpośrednie liczba protonów •twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n,p) jądro złożone (n,p) reakcja wprost •anizotropowy rozkład kątowy z maksimum dla małych kątów energia protonów •słaba zależność przekroju czynnego od energii cząstki padającej reakcja jednoetapowa, peryferyjna Energia jądrowa Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów n + 23892U 23992U + reakcja przez jądro złożone 239 239 Np + e + U 92 93 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