核物理基础与辐射防护-最新版本.ppt

2009 05 30 1 第三章原子核反应 原子核反应原子核与原子核 或者原子核与其他粒子之间的相互作用所引起的各种变化 原子核衰变不稳定核素在没有外界影响的情况下自发的发生核蜕变的过程 核反应运动学 研究在能量 动量守恒等的前提下 核反应服从的一般规律 核反应动力学 研究参加反应的各粒子间的相互作用机制 2009 05 30 2 4 1核反应概述 核反应的一般表达式 A为靶核 a为入射粒子 B为剩余核 b1 b2 为出射粒子 或 对于出射粒子为一个的情况 二体反应 或 三体反应 出射粒子为两个的情况 2009 05 30 3 1 历史上几个著名的核反应 1 第一个人工核反应 发现质子 1919年 卢瑟福 或 2 第一个在加速器上实现的核反应 1932年 考克拉夫和瓦耳顿 4 产生第一个人工放射性核素的反应 1934年 小居里夫妇 3 导致发现中子的反应 1932年 查德威克 2009 05 30 4 2 实现核反应的途径 1 用放射源产生的高速粒子去轰击原子核 2 利用宇宙射线来进行核反应 3 利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应 缺点 入射粒子的强度不大 能量不高 入射粒子种类有限 其能量也不易改变 缺点 入射粒子的强度很弱 能产生多种粒子 其能量和强度都比放射源所提供的大得多 而且大小可以调节 这是实现人工核反应的最主要的途径 2009 05 30 5 3 核反应分类 1 按出射粒子分类 a 散射 即 a b 出射粒子与入射粒子相同 弹性散射 散射前后系统总动能相等 非弹性散射 散射前后系统总动能不相等 这时 剩余核与靶核构成相同 散射和反应 b 反应 出射粒子与入射粒子不同 即 b a 这种情况下 剩余核不同于靶核 也就是一般意义上的核反应 当出射粒子为 射线时 称这类核反应为辐射俘获 2009 05 30 6 2 按入射粒子分类 a 中子反应 由中子入射引起的核反应 中子反应的特点 中子不带电 与核作用时 不存在库仑位垒 能量很低的中子就能引起核反应 根据出射粒子的不同 中子反应有 b 荷电粒子核反应 由带电粒子入射引起的核反应 包括 质子引起的核反应 氘核引起的核反应 粒子引起的核反应 重离子引起的核反应 c 光核反应 由 光子入射引起的核反应 最常见的是 反应 如 和 此外 还有等 2009 05 30 7 3 按入射粒子能量分类 a 低能核反应 低于50MeV b 中高能核反应 在50MeV 1GeV之间 c 高能核反应 高于1GeV 一般的原子核物理只涉及低能核反应 4 按靶核的质量数A分类 a 轻核反应 A 30 b 中量核反应 30 A 90 c 重核反应 A 90 2009 05 30 8 对一定的入射粒子和靶核 能发生的核反应过程往往不止一种 把每一种可能的反应过程称为一个反应道 反应前的过程称为入射道 反应后的过程称为出射道 4 反应道 一个入射道可以对应几个出射道 一个出射道也可以对应几个入射道 2009 05 30 9 大量实验表明 核反应过程遵守以下几个守恒定律 1 电荷守恒 反应前后的总电荷数不变 5 核反应中的守恒定律 以A a b B反应为例来说明 即 2 质量数守恒 反应前后的总质量数不变 即 3 能量守恒 反应前后体系的总能量 静止能量和动能之和 不变 即 2009 05 30 10 4 动量守恒 反应前后体系的总动量不变 即 5 角动量守恒 反应前后体系的总角动量不变 即 6 宇称守恒 反应前后体系的宇称不变 即 2009 05 30 11 4 2核反应能和Q方程 1 核反应能Q 核反应过程中释放出来的能量 对核反应 静止质量 相应动能 由能量守恒 定义反应能Q为 Q 0为放能反应 Q 0为吸能反应 2009 05 30 12 反映核反应能Q与反应中有关粒子 入射 出射粒子 的动能之间关系的方程 假定靶核静止 根据动量守恒定律 有关Q方程的推导 在非相对论情况下 有 2 Q方程 2009 05 30 13 代入 用A代替m 在入射粒子动能Ta已知的情况下 只要测量 角方向的出射粒子的动能Tb 就可以求得核反应能Q Q方程 若 90 则Q方程为 2009 05 30 14 3 Q方程的应用 Q方程的本质反映了反应能Q与出射粒子方向和出射粒子能量之间的关系 可用于求出反应能Q 而反应能Q等于反应前后系统的静止质量差 因此 Q方程可以用于求与静止质量有关的量 求不同角度出射粒子能量等 1 可用于求核素的质量 已知 测出方向的 就可以求出Q 由公式 可以已知三个质量求第四个质量 2009 05 30 15 2 可用于求剩余核的激发态能量 当反应产物 特别是剩余核 处于激发态时 反应能Q的值用Q 表示 通常称它为实验Q值 设剩余核的激发能为 则激发态剩余核的静止质量为 于是 测量出Q和Q 可以求出激发能 2009 05 30 16 例如核反应 已知入射粒子能量为2 0MeV 在出射角的方向探测到两种能量的质子 4 67MeV和4 29MeV 求的激发能 利用Q定义和质量过剩 可求出7Li基态时的Q值 利用所给数据和Q方程 可求得 对于 对于 可见 所以能量为4 67MeV的质子相应于生成7Li基态的反应 利用 可得7Li的激发能 2009 05 30 17 3 已知Q计算出射粒子能量 对弹性散射 2009 05 30 18 4 核反应阈能 核反应中有吸能反应 这时核反应能Q 0 需要提供能量核反应才能进行 提供方式是由入射粒子携带 我们将能使核反应发生的最小入射粒子动能定义为 核反应阈能 以表示 Thresholdenergy 下面我们讨论与的关系 2009 05 30 19 1 选择坐标系 实验室坐标系 L系 和质心坐标系 C系 在L系中 L系中动能 动量 2009 05 30 20 在C系中 C系中动能 2009 05 30 21 C系动能和L系动能的关系 C系中动量 根据动量守恒定律 如果选择C系 则反应前后系统的动量均为零 这将给计算带来方便 2009 05 30 22 2 计算核反应阈能 在质心坐标系 C系 中 反应前后系统动量均为零 则反应产物在C系中不一定要有动能 反应前体系在C系中的动能可以最少等于 就可以发生核反应 即 根据反应阈能的定义 2009 05 30 23 4 3核反应截面和产额 当一定能量的入射粒子a轰击靶核A时 在满足各种守恒定则的条件下 都有可能按一定的概率发生各种核反应 本节讨论有关核反应发生概率的问题 2009 05 30 24 1 核反应截面 假设 讨论对象为薄靶 即靶厚t足够小 入射粒子垂直入射通过靶时能量不变 单位时间内入射粒子与靶核发生核反应数N为 引入比例系数 单位时间内的入射粒子数 单位面积内的靶核数 单位时间内发生的核反应数 称为核反应截面 量纲为面积 核反应截面的物理意义 一个入射粒子入射到单位面积内只含有一个靶核的靶上所发生反应的概率 常用单位 巴 用b表示 N0 靶单位体积的靶核数 2009 05 30 25 2 核反应截面相关的几个概念 1 分截面 对应于每个反应道的截面 i 2 总截面 各分截面 i之和 为总截面 t 表示产生各种反应的总概率 表示产生某种反应的概率 3 激发曲线 截面随入射粒子能量的变化曲线 2009 05 30 26 3 微分截面和角分布 引入比例系数 就定义为微分截面 也常记为 微分截面的物理意义 一个入射粒子入射到单位面积内只含有一个靶核的靶上发生反应并出射粒子在 方向单位立体角内的概率 单位为 巴 球面度 用b sr表示 2009 05 30 27 出射粒子总数 由 对 各向同性 实际上仅是 的函数 可记为 微分截面随 的变化曲线称为 角分布 可以实验测定 对某一反应道 其分截面 i与微分截面 i 的关系为 总截面 t为 2009 05 30 28 4 反应产额 入射粒子在靶体上引起的核反应数与入射粒子数之比 称为核反应的产额 中子不带电 不会与核外电子发生作用 只要不与原子核作用 它的能量就不会变 因此可认为中子在靶内各处反应截面都相等 而带电粒子电离作用明显 不可认为在靶内各处反应截面都相等 2009 05 30 29 以单能中子束为例 设 为中子与靶核作用的反应截面 N为靶物质单位体积的原子核数 I0为中子入射强度 D为靶厚 1 中子反应的产额 2009 05 30 30 令 对上面的方程积分得 在x x dx层内单位时间中子数的变化为 等于在该层靶内单位时间发生的核反应数 则 中子束通过靶时的强度为 中子在整个靶内单位时间产生的反应数等于中子通过靶时的强度减少量 即 于是 反应产额为 2009 05 30 31 当 这种靶称为薄靶 这时 当 这种靶称为厚靶 这时 薄靶的产额与靶厚 反应截面成正比 厚靶产额最大 每个入射粒子均产生反应 通过靶的中子数与入射中子数之比称为透射率T 透射率在实验中可以直接测量 从而按上式可以求得反应截面 这种方法测得的截面是中子总截面 是各种反应道 包括弹性散射 的分截面之和 2009 05 30 32 2 带电粒子反应的产额 带电粒子通过靶时 会与靶核的核外电子发生作用而损失能量 一定初始能量的入射带电粒子通过靶的不同厚度时 其能量损失不同 即在不同靶深处的入射粒子的能量不同 由于反应截面 E 是能量的函数 因而不同靶深处的反应截面是不同的 令I0和I分别表示射到靶上的和在靶深为x处的带电粒子强度 N为靶子单位体积的原子核数 则在靶深为x处的dx薄层内 单位时间的核反应数为 在厚度为D的靶中单位时间的总反应数为 反应产额为 2009 05 30 33 对于薄靶 指入射粒子在靶中的能量损失相对于初始能量E0可以忽略不计时的靶 E 可视为常量 即 E E0 而且 发生反应的粒子数远小于入射粒子数 即I I0 对于厚靶 指靶厚大于入射粒子在靶中的射程R E0 时的靶 dE dx 为靶物质对入射带电粒子的阻止本领 2009 05 30 34 4 4核反应机制及核反应模型 核反应机制的问题属于核反应动力学问题 对核反应机制的研究用模型理论来解决 由于核反应机制的复杂性 提出了众多的模型理论 各有其成功解释一些物理想象的方面 又有一定的局限性 1 核反应的三阶段描述及光学模型 根据反应的时间顺序 将反应分为三个阶段 1 核反应的三阶段描述 复合系统阶段可分为直接作用和形成复合核两种机制 a 直接作用 在这些过程中入射粒子在不同程度上保持原有特性 记忆 并未消失 直接作用过程的作用时间一般只有 与粒子穿过靶核的时间相当 b 形成复合核 复合核形成后就 失忆 了 忘记了它的形成过程 复合核过程往往长达 2009 05 30 35 2 各种反应截面之间的关系 对反应的第一阶段 独立粒子阶段 总截面 形状弹性散射截面 吸收截面 对反应的第二阶段 复合系统阶段 2009 05 30 36 弹性散射截面 综合考虑三个阶段的核反应 可以将总反应截面分为弹性散射截面和去弹性散射截面两部分 各种反应截面的关系图 2009 05 30 37 3 核反应的光学模型 光学模型在解释中子反应总截面随靶核质量数A和入射中子能量的变化趋势上获得成功 后来又成功解释中子与质子弹性散射的角分布 理论计算与实验结果符合的相当好 类似于光在半透明介质中折射率是复数 在光学模型中取复数势阱作为入射粒子与靶核相互作用的平均势 又称光学势 在量子力学中 可以采用简单的复数势阱 如复数方势阱 通过求解薛定谔方程求得各种截面的值 2009 05 30 38 2 复合核模型 1 复合核模型的基本假设 复合核模型将核反应分为相互独立的两个阶段 第一阶段是复合核的形成 即入射粒子被靶核吸收 形成一个处于激发态的复合核C 第二阶段是复合核衰变为出射粒子和剩余核的阶段 用反应式可表示为 形成过程 衰变过程 复合核形成截面 发射b的衰变概率 2009 05 30 39 复合核模型的基本思路与描述核结构的液滴模型相同 也是把原子核比作液滴 复合核的形成阶段可比作液滴的加热 复合核的激发能为入射粒子的相对运动动能 即在质心系的动能 和入射粒子与靶核的结合能之和 复合核形成后 并不立