Jądrowe reakcje, procesy oddziaływania jąder atomowych z innymi jądrami lub z cząstkami elementarnymi. W trakcie reakcji jądro i oddziałująca cząstka mogą przekazywać sobie energię, pęd, ładunek elektryczny, kręt, itd., przy czym obowiązują odpowiednie zasady zachowania.
Zależnie od rodzaju oddziaływania wyróżnia się rozproszenia elastyczne, nieelastyczne lub głęboko nieelastyczne, wzbudzenia, rozszczepienia, fragmentacje itp.
Jako wyniki reakcji otrzymuje się jądro (lub jądra) wtórne i (zazwyczaj) cząstki elementarne. Prawdopodobieństwo zajścia w danych warunkach danej reakcji określa jej przekrój czynny.
Stosuje się dwie notacje dla reakcji jądrowych: pełną o postaci a+A=B+c1+...+cn+E, gdzie: a i A - substraty reakcji (np. padająca cząstka i jądro), B - nowe, powstałe w wyniku reakcji jądro, c1,...,cn - powstałe cząstki, E - wydzielona energia (jeśli energia jest pochłonięta w reakcji, to E<0) oraz tzw. skróconą o postaci A(a,c1...cn)B przy oznaczeniach jak wyżej.
Cząstka obojętna elektrycznie (np. neutron) może wnikać do jądra (i np. wywoływać rozszczepienie) posiadając nawet bardzo małą energię kinetyczną (reakcja łańcuchowa). Reakcje jądrowe z udziałem dwóch jąder mogą zachodzić jedynie przy dużych energiach kinetycznych potrzebnych do pokonania odpychającego oddziaływania elektromagnetycznego obu jąder. W tym celu stosuje się akceleratory cząstek naładowanych.
W naturze reakcje jądrowe zachodzą głównie w gwiazdach, gdzie energia ruchu cieplnego (w temperaturach ponad 107K) jest wystarczająca do pokonania odpychania ładunków elektrycznych jąder.
Reakcje jądrowe, to procesy zachodzące z bezpośrednim udziałem jąder atomowych. Procesy te następują zwykle wskutek zderzania się jąder bądź cząstek z jądrami. W wyniku zderzenia tworzone są inne jądra i cząstki, produkowane są nowe cząstki, wydzielana jest energia w postaci energii kinetycznej produktów reakcji itp.
Najprostsze reakcje jądrowe zapisujemy schematycznie w postaci
|
(1.6.1) |
gdzie A jest jądrem "bombardowanej" tarczy, a jest cząstką padającą (bombardującą), czyli wywołującą reakcję, B jest jądrem końcowym, powstałym w wyniku reakcji, b jest cząstką powstałą w wyniku reakcji. Ten tradycyjny zapis może być rozumiany obecnie bardziej szeroko, bowiem w reakcjach zachodzących przy wysokich energiach produkowana jest zwykle bardzo wielka liczba nowych cząstek, a jądra zderzające się ulegają rozbiciu na wiele fragmentów jądrowych. W związku z tym pod symbolami B oraz b można rozumieć nie tylko pojedyncze jądra lub cząstki, ale ich grupy emitowane w wyniku reakcji.
Wyróżnia się następujące typy reakcji:
rozproszenie sprężyste: |
(1.6.2) |
rozproszenie niesprężyste: |
(1.6.3) |
reakcja właściwa: |
(1.6.4) |
W rozproszeniu sprężystym niezmieniona pozostaje całkowita energia kinetyczna. W rozproszeniu niesprężystym część energii zużyta zostaje na wzbudzenie jądra-tarczy lub pocisku. We właściwej reakcji jądrowej w końcowym stanie mogą występować cząstki i jądra różne od tych pomiędzy którymi reakcja zachodziła.
Zasadę zachowania energii w reakcjach jądrowych możemy zapisać w postaci związku
|
(1.6.5) |
gdzie symbolami M i m oznaczyliśmy masy obiektów uczestniczących w reakcji, a symbol Q oznacza energię reakcji. Gdy wartość Q jest dodatnia, to reakcję nazywamy egzoenergetyczną. W takim przypadku więcej energii wydziela się w wyniku zajścia reakcji niż jest potrzebne na jej wywołanie. Kiedy wartość Q jest mniejsza od zera, to reakcję nazywamy endoenergetyczną. Reakcje endotermiczne zachodzą tylko, kiedy przekroczona jest pewna minimalna energia potrzebna do wywołania reakcji. Energia ta zwana jest energią progową.
Reakcje jądrowe stanowią obszerny i niezwykle burzliwie rozwijający się dział fizyki jądrowej. Ograniczymy się tu jedynie do pobieżnego omówienia tylko jednego typu reakcji, który ma praktyczne zastosowanie w energetyce jądrowej tj. reakcji rozszczepienia.
|
Powiedzieliśmy już, że energia wiązania przypadająca na jeden nukleon jest największa dla jąder o średnich wartościach liczby masowej, |
|
Przebieg procesu ilustruje Rys.1.6.1. Neutron zostaje pochłonięty przez ciężkie jądro, które wskutek tego doznaje pewnej deformacji, co zmienia w szczególności energie napięcia powierzchniowego i odpychania elektrostatycznego. Kiedy deformacja osiągnie taki stan, że energetycznie wygodniejszy stanie się podział na dwa mniejsze jądra, następuje rozszczepienie a uwolniona energia zamienia się na energię kinetyczną powstałych dwóch lżejszych jąder oraz energie kilku neutronów, które w tym procesie są również emitowane. |
Rys.1.6.1. Przebieg procesu rozszczepienia |
|
Warto zwrócić uwagę, że uwalniana w procesie rozszczepienie energia jest ogromna w porównaniu z energią przemian chemicznych związanych ze zmianami wiązań elektronowych w atomach i cząsteczkach (np. w procesie spalania). W procesie rozszczepienia uwalniana energia wyraża się w megaelektronowoltach (około 200 MeV), podczas gdy w procesie spalania energia uwalniana jest rzędu kilkunastu elektronowoltów. Stosunek tych energii jest więc rzędu miliona!