Лекция №7
Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность.
1
Классификация ядерных реакций
Ядерная реакция – процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра.
Во время ядерной реакции происходит перераспределение энергии и импульса частиц, которое может приводить к образованию других
частиц, вылетающих из места взаимодействия.
Впервые ядерную реакцию наблюдал Э. Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, в результате чего появились другие частицы с большим пробегом в газе, которые были идентифицированы как протоны.
α + 14N→17O + p
Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.
Эрнест
Резефорд (1871-1937)
2
Камера Ч.Вильсона изобретена в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 года)
Реакция α + 14N→17O + p
Классификация ядерных реакций
Ядерная реакция |
а + А →B + b |
может идти несколькими конкурирующими путями, например:
Входной канал |
Выходной канал |
При классификации ядерных реакций по времени протекания в качестве временного масштаба критерием является время пролёта частицы через ядро:
1.Если время реакции tp≈τя , то это прямая реакция.
2.Если tp>>τя ,то предполагается, что реакция идёт через составное ядро.
Такой механизм был предложен Н. Бором в 1936 году. |
4 |
|
Законы сохранения в ядерных реакциях
В ядерных реакция, идущих при относительно небольших энергиях налетающих частиц (<100 МэВ) выполняется ряд базовых законов сохранения:
1.Закон сохранения электрического заряда: Σqi = const
2.Закон сохранения числа нуклонов (барионный заряд B=const)
3.Закон сохранения энергии.
4.Закон сохранения импульса.
5.Закон сохранения момента количества движения.
Все пять базовых законов сохранения выполняются во всех типах реакций, идущих под действием ядерных, электромагнитных и слабых взаимодействий. Законы сохранения накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции.
Вреакциях, идущих под действием ядерных и электромагнитных сил, выполняется также закон сохранения пространственной чётности.
Вреакциях идущих в под действием ядерных сил (сильных взаимодействий) выполняется закон сохранения изотопического спина и его проекции.
Законы сохранения связаны с симметриями физических систем
5
Момент количества движения
В ядерных реакциях сохраняется полный момент количества движения замкнутой системы
Здесь |
- спины участвующих в реакции частиц, |
относительные орбитальные моменты, характеризующие их относительное движение.
6
Чётность
В сильных и электромагнитных взаимодействиях пространственная чётность P частиц сохраняется. Применительно к ядерной реакции
а + А →B + b
закон сохранения чётности записывается следующим образом:
Закон сохранения чётности приводит к определённым правилам отбора, ограничивающим класс возможных ядерных взаимодействий.
Простое правило отбора возникает для упругого рассеяния частиц (например, нуклонов) на ядрах: в процессе рассеяния может изменяться только на чётное число. Это заключение следует из того, что при упругом рассеянии ни состояние ядра, ни состояние бомбардирующей частицы не изменилось. Единственное, что с ними может произойти – это переориентация спина, при которой чётность сохраняется. Но тогда должна сохраняться и чётность волновой функции, описывающей относительное движение частиц.
Правила отбора по чётности возникают при рассмотрении процессов с участием двух тождественных частиц. Простейший пример такого рода – распад составной системы на две тождественные частицы с нулевыми спинами. При этом чётная система А может, а нечётная не может, распасться на две тождественные частицы.
7
Изотопический спин
— квантовое число, отражающее свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия. Введен Гейзенбергом в 1932 году.
С точки зрения сильного взаимодействия, протон и нейтрон являются одинаковыми частицами. Изоспин I одинаков для всех адронов, образующих изотопический мультиплет, число адронов в таком мультиплете равно 2I+1. У каждого адрона в изомультиплете своя проекция изоспина Iz и свой электрический заряд, но все
остальные квантовые числа одинаковы. Так, изодублет нуклонов (I=1/2) состоит из двух членов: протона и нейтрона с Iz=±1/2. Изотриплет пионов π+, π0, π- имеет
изоспин 1 и проекции изоспина +1, 0, −1.
Законы сохранения изоспина и его проекции в реакции
|
a+ A → b + B |
α-частица |
может испуститься ядром только в том случае, если его начальное |
и конечное состояния имеют одинаковые значения изотопического спина.
Сохранение изоспина в сильных взаимодействиях позволяет приближённо вычислять сечения реакций и предсказывать структуру ядерных уровней в случаях, когда эффекты
несохраняющих изоспин взаимодействий малы. |
8 |
|
Сечение ядерной реакции
9
Теория ядерных реакций Бора
10