Warto przeczytać

Fizyka reakcji jądrowych zajmuje się badaniem przemian jednych jąder atomowych w inne, przy czym przemiany te zachodzą w wyniku zderzeń jąder z cząstkami, którymi mogą być fotony, nukleonyNukleonynukleony (proton lub neutron), lekkie cząstki naładowaneLekkie cząstki naładowanelekkie cząstki naładowane (np. cząstka alfa) lub tzw. ciężkie jonyCiężkie jonyciężkie jony (jony pierwiastków cięższych od helu). W tym e‑materiale skoncentrujemy się na reakcjach z udziałem oddziaływań jądrowych. Prześledzimy kilka przykładowych reakcji jądrowych i omówimy schematy ich zapisu. Reakcje z udziałem elektronów i innych cząstek elementarnych nie będą omawiane. Zderzenia tego typu są domeną fizyki wysokich energii i są wykorzystywane do badań oddziaływań pomiędzy cząstkami elementarnymi. Samorzutne przemiany jądrowe, takie jak rozpad promieniotwórczy, czy spontaniczne rozszczepienie ciężkich jąder, omawia się zazwyczaj oddzielnie.

Pierwszą reakcję jądrową w warunkach laboratoryjnych przeprowadził w 1919 roku Ernest Rutherford (Rys. 1.), noblista i odkrywca jądra atomowego. Rutherford bombardował jądra azotu cząstkami alfa pochodzącymi ze źródła promieniotwórczego i odkrył, że w wyniku zderzeń tych dwóch obiektów emitowany jest proton. Reakcja ta posłuży nam jako przykład w dalszych rozważaniach.

RKOL0VyIdKktw

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia portret Ernesta Rutherforda. Mężczyzna w średnim wieku spogląda nieco w bok, pokazując swój lewy profil. Zdjęcie jest czarno białe. Mężczyzna ma włosy zaczesane na bok i wąsy. Pozuje w jasnej koszuli, ciemnym krawacie i marynarce.

Sposób zapisu reakcji jądrowych jest podobny do sposobu zapisu reakcji chemicznych. Zaczynamy od substratów, czyli od obiektów biorących udział w reakcji jądrowej. Zapis:

oznacza zderzenie jądra azotu (${}_7^{14}N$) z jądrem helu (${}_2^{4}He$), czyli inaczej cząstką alfa. Następnie rysujemy strzałkę (→) wskazującą kierunek zachodzenia reakcji, po której wypisujemy kolejno produkty reakcji. W omawianym przypadku w wyniku reakcji jądrowej powstają jądro tlenu (${}_8^{17}O$) oraz jądro wodoru (${}_1^{1}H$), czyli swobodny proton. Pełen zapis reakcji wygląda następująco:

Obiekty po lewej stronie strzałki nazywamy kanałem wejściowymKanał wejściowy reakcjikanałem wejściowym reakcji, a te po prawej kanałem wyjściowymKanał wyjściowy reakcjikanałem wyjściowym reakcji. W wielu przypadkach ten sam kanał wejściowy może prowadzić do różnych kanałów wyjściowych, dlatego przy omawianiu reakcji jądrowych ważne jest podawanie pełnego schematu rozpatrywanej reakcji.

W reakcjach, w których biorą udział lub powstają neutrony (n), fotony (γgamma) lub lekkie cząstki naładowane, takie jak protony (p), deuterony (d), trytony (t) czy cząstki alfa (αalfa) można stosować ogólnie przyjęte symbole reprezentujące te obiekty. Równoważnym sposobem zapisu reakcji przeprowadzonej przez Rutherforda jest:

Pominęliśmy tutaj jawne wypisywanie liczb masowych i atomowych cząstki alfa i protonu. Pełny zapis, czyli ${}_2^4\alpha$ i ${}_1^{1}p$, jest jednak równie często spotykany. W zapisie reakcji nie ma konieczności podawania liczb atomowych, ponieważ są one jednoznacznie określone przez symbole pierwiastków i cząstek. Moglibyśmy zatem zapisać symbolicznie jądra azotu i tlenu jako Indeks górny 14¹⁴N i Indeks górny 17¹⁷O. Podawanie liczb atomowych jest jednak dobrą praktyką, ponieważ ułatwia sprawdzenie poprawności zapisu schematu reakcji. Podawanie liczb masowych jąder biorących udział i powstających w reakcji jest natomiast zawsze konieczne.

Schemat omawianej reakcji można również zapisać w skróconej formie jako

Pierwszy obiekt w nawiasie, czyli cząstka alfa to cząstka wywołująca reakcję. Drugi obiekt w nawiasie, czyli proton, to cząstka powstała w wyniku reakcji. Przed nawiasem zapisujemy jądro początkowe, czyli jądro biorące udział w reakcji z cząstką wywołującą proces, a za nawiasem jądro końcowe, które powstaje w wyniku zajścia reakcji. W reakcjach z ciężkimi jonami jądro początkowe nazywa się zazwyczaj jądrem tarczy (lub jądrem‑tarczą), a cząstkę wywołującą reakcję jądrem‑pociskiem.

Inne reakcje z udziałem nukleonów i lekkich cząstek naładowanych to na przykład:

• reakcje typu (αalfa, n), czyli reakcje wywoływane cząstką alfa, w których emitowany jest neutron,

• reakcje typu (n, γgamma), czyli reakcje wywoływane neutronem, w których emitowany jest kwant gamma,

• reakcje typu (p, n) zwane reakcjami wybicia, w których padający proton wybija neutron z jądra atomowego i zajmuje jego miejsce.

R1UZx4B4zvliU

Ryz. 2. Zdjęcie prezentuje postać Jamesa Chadwicka. Szpakowaty, szczupły mężczyzna w okularach siedzi na krześle z nogą założoną na nogę i trzyma swoją lewą dłoń na biurku, jednocześnie na nią spoglądając. Mężczyzna pozuje w dwurzędowej marynarce, jasnej koszuli i ciemnym krawacie w jasne, geometryczne wzory. Zdjęcie jest czarno białe.

Przykładami reakcji typu (αalfa, n) są reakcje Indeks górny 7⁷Li(αalfa, n)Indeks górny 10¹⁰B, Indeks górny 9⁹Be(αalfa, n)Indeks górny 12¹²C i Indeks górny 11¹¹B(αalfa, n)Indeks górny 14¹⁴N, które doprowadziły do odkrycia neutronu w 1932 roku przez Chadwicka (Rys. 2.). Reakcje typu (n, γgamma) są używane do detekcji neutronów. Przykładem takiej reakcji jest wychwyt neutronu przez jądro kadmu, Indeks górny 113¹¹³Cd(n, γgamma)Indeks górny 114¹¹⁴Cd. Reakcja ta jest wykorzystywana do kontroli tempa zachodzenia łańcuchowych reakcji rozszczepienia w reaktorach jądrowych (kadm jest jednym ze składników prętów kontrolnych umieszczanych w rdzeniu reaktora) (Rys. 3.). Przykładem reakcji typu (p, n) jest reakcja Indeks górny 18¹⁸O(p, n)Indeks górny 18¹⁸F polegająca na wybicia neutronu z jądra tlenu przez uderzający w nie proton. Reakcja ta jest używana w medycynie jądrowej do produkcji radioaktywnego fluoru używanego m.in. w diagnostyce nowotworowej.

RZ5tqVyj9BtYc

Rys. 3. Zdjęcie ukazuje wnętrze reaktora jądrowego. Zostało zrobione od góry, więc rdzeń z w wystającymi z niego prętami jest uchwycony w całej okazałości. Tuż obok rdzenia stoi czterech mężczyzn, trzech w białych kaskach a jeden w pomarańczowym.

Gdy w kanale wejściowym i w kanale wyjściowym obserwujemy tę samą cząstkę, a energia wewnętrzna jądra tarczy nie zmienia się, mamy do czynienia z reakcją elastycznego rozpraszania. Schemat takiej reakcji można zapisać, stosując obie omówione wcześniej metody. Przykładem tego typu reakcji jest reakcja Indeks górny 197¹⁹⁷Au(αalfa, αalfa)Indeks górny 197¹⁹⁷Au, która doprowadziła Rutherforda do odkrycia jądra atomowego. W procesie elastycznego rozpraszania nie biorą udziału oddziaływania jądrowe. W doświadczeniu Rutherforda cząstki alfa miały za małą energię kinetyczną, aby zbliżyć się dostatecznie blisko do jąder złota. Tor lotu cząstki alfa zmienia się jednak pod wpływem oddziaływań kulombowskich, a energia kinetyczna jest dzielona pomiędzy produktami rekcji. Zapis Indeks górny 197¹⁹⁷Au(αalfa, αalfa’)Indeks górny 197¹⁹⁷AuIndeks górny *^* oznacza natomiast nieelastyczne rozpraszanie. W tym przypadku, na skutek oddziaływania pomiędzy jądrem‑pociskiem i jądrem tarczy, następuje zmiana energii wewnętrznej jądra złota. Sytuacja taka może wystąpić, gdy odpowiednio dobierzemy energię cząstek alfa. Gwiazdka przy symbolu złota, Indeks górny 197¹⁹⁷AuIndeks górny *^*, oznacza, że jądro to uległo wzbudzeniu i nie znajduje się już w swoim stanie podstawowym. W zapisie reakcji nieelastycznego rozpraszania dopisujemy dodatkowo prima do symbolu cząstki alfa, αalfa’.

Opisane powyżej reakcje z fotonami, neutronami i lekkimi cząstkami naładowanymi należą do grupy tzw. reakcji wprost. W reakcjach tego typu bierze udział mała liczba nukleonów, a kanał wyjściowy zależy od kanału wejściowego. Są to reakcje szybkie, zachodzące w czasie rzędu 10Indeks górny -21^-21 s. Osobną grupę stanowią tzw. reakcje przez jądro złożone. W tego typu reakcjach oddziałujące jądra łączą się, tworząc na czas rzędu 10Indeks górny -16^-16 – 10Indeks górny -12^-12 s jeden wzbudzony obiekt, tzw. jądro złożone, które następnie ulega przemianie, np. emitując promieniowanie gamma i neutrony. Czas trwania jądra złożonego może wydawać się bardzo krótki, jednak z punktu widzenia fizyki subatomowej jest na tyle długi, że powstały obiekt traci całkowicie pamięć, o tym, jak powstał i jego dalsze przemiany są niezależne od kanału wejściowego reakcji. Reakcje przez jądro złożone zachodzą zatem w dwóch etapach.

Przykładem reakcji zachodzącej przez jądro złożone jest reakcja fuzji‑wyparowania. Rozpatrzmy eksperyment, w którym bombardujemy cienką tarczę wykonaną z glinu (aluminium) Indeks górny 27²⁷Al przyspieszonymi w akceleratorze jonami węgla Indeks górny 12¹²C. Przy odpowiednio dobranej energii bombardowania, jądra pocisku i tarczy mogą połączyć się i utworzyć wzbudzone jądro potasu Indeks górny 39³⁹KIndeks górny *^* (pierwszy etap reakcji)

W zależności od energii pocisku, różna będzie energia wzbudzenia jądra potasu. Przy dostatecznie dużej energii wzbudzenia z jądra Indeks górny 39³⁹KIndeks górny *^* może nastąpić emisja np. dwóch neutronów (drugi etap reakcji), co możemy zapisać jako

Drugi etap reakcji, czyli emisja cząstek, powoduje znaczące obniżenie energii wzbudzenia jądra złożonego i przez analogię z parowaniem wrzącej wody, nazywa się procesem ewaporacji (wyparowania). Pełen schemat reakcji można zapisać w jednej linijce

lub krócej, pomijając etap pośredni,

Poprawny jest też zapis ${}_{13}^{27}Al\left({}_6^{12}C,2n\right){}^{37}K$.

Innym przykładem reakcji zachodzącej w dwóch etapach jest wymuszone rozszczepienie uranu Indeks górny 235²³⁵U w wyniku pochłonięcia neutronu. W pierwszym etapie reakcji powstaje wzbudzone jądro Indeks górny 236²³⁶UIndeks górny *^*, które w drugim etapie ulega rozszczepieniu na dwa fragmenty, uwalniając przy okazji średnio 2 – 3 neutrony.

W reakcjach jądrowych musi być spełniony szereg zasad zachowania. To one określają, jakie są możliwe kanały wyjściowe dla danego kanału wejściowego i dostępnej energii. Poszczególne zasady zachowania obowiązujące w reakcjach jądrowych są omówione w e‑materiałach „Zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów w reakcjach jądrowych”, „Zasada zachowania energii w reakcjach jądrowych” oraz „Zasada zachowania pędu i momentu pędu w reakcjach jądrowych”.

Więcej na temat wielkości używanych do opisu reakcji jądrowych można dowiedzieć się w e‑materiale „Badanie reakcji jądrowych”.

Słowniczek