Warto przeczytać

Reakcjami jądrowymi nazywamy procesy, w których w wyniku oddziaływania jądrowego pomiędzy pojedynczymi jądrami atomowymi lub cząstkami następuje przemiana tych obiektów w inne. Schemat typowej reakcji jądrowej można zapisać na dwa sposoby:

lub

gdzie X to tzw. jądro początkowe, które w wyniku zderzenia z cząstką a wywołującą reakcję, ulega przemianie w jądro końcowe Y, emitując przy tym cząstkę b. W ogólności cząstka a może być neutronem (n), fotonem ($\gamma$), lekką cząstką naładowaną, np. protonem (p), czy cząstką alfa ($\alpha$). Cząstka a może być też tzw. ciężkim jonemciężkie jonyciężkim jonem, czyli jonem pierwiastka cięższego od helu. To samo tyczy się cząstki b powstałej w reakcji. Więcej na temat zapisu schematu reakcji jądrowych można przeczytać w e‑materiale „Zapis równań reakcji jądrowych”.

R1IeqnwywfPII

Rys. 1. Ilustracja przedstawia przykład reakcji jądrowej, która jest częścią cyklu reakcji zachodzących we wnętrzu Słońca. Cykl ten nosi nazwę opisaną wielkimi literami CNO. W lewej i dolnej części ilustracji pokazano jądra azotu składającego się z piętnastu nukleonów. Nukleony pokazano w postaci szarych i czerwonych kulek, zlepionych ze sobą w jedno okrągłe jądro. Protony widoczne są w postaci czerwonych kulek i jest ich siedem. Neutrony narysowano w postaci szarych kulek, których jest osiem. Jądro porusza się w prawo i nieco w górę o czym świadczy czarna strzałka po prawej stronie jądra. Nad jądrem azotu widoczny jest proton, w postaci czerwonej kulki, który porusza się w prawo i nieco w dół, co pokazuje czarna strzałka po jego prawej stronie. Pomiędzy jądrem azotu i protonem dochodzi do zderzenia w centralnej części ilustracji. Punkt zderzenia pokazano w postaci malej, żółtej gwiazdki o ostrych ramionach. W wyniku zderzenia powstają dwa poruszające się produkty. Jednym z nich jest cząstka alfa, narysowana jako cztery zlepione nukleony. Cząstka alfa widoczna jest w prawym górnym rogu ilustracji. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów, widocznych jako czerwone kulki i dwóch neutronów, narysowanych w postaci szarych kulek. Cząstka alfa powstała w wyniku zderzenia porusza się w prawo w górę, co pokazuje czarna strzałka wskazująca kierunek od punktu zderzenia do cząstki alfa. Drugim produktem zderzenia jest jądro węgla składające się z dwunastu nukleonów. Jądro węgla widoczne jest po prawej stronie ilustracji. W skład jądra węgla wchodzi sześć protonów, narysowanych w postaci czerwonych kulek i sześć neutronów, pokazanych jako szare kulki. Jądro węgla porusza się w prawo i nieco w górę, co pokazuje czarna strzałka wskazująca kierunek od punktu zderzenia do jądra węgla.

Substraty rekcji, czyli jądro X i cząstkę a, nazywamy kanałem wejściowym reakcji. Produkty reakcji, czyli jądro Y i cząstkę b nazywamy kanałem wyjściowym reakcji. Dany kanał wejściowykanał wejściowy reakcjikanał wejściowy może prowadzić do wielu różnych kanałów wyjściowychkanał wyjściowy reakcjikanałów wyjściowych, w tym do takich, w których powstają więcej niż dwa produkty.

Przykładem może być reakcja zachodząca pomiędzy helem ${}_2^{3}He$ i trytem ${}_1^{3}H$ w gwiazdach, która może prowadzić do powstania cząstki alfa, protonu i neutronu,

lub do powstania cząstki alfa i jądra deuteru ${}_1^{2}H$,

Jeżeli w kanale wyjściowymkanał wyjściowy reakcjikanale wyjściowym powstają tyko dwa obiekty, reakcję nazywamy dwuciałową, gdy produktów jest więcej, mówimy, że reakcja jest wielociałowa. Liczba możliwych kanałów wyjściowych oraz to, jakie cząstki mogą powstać w reakcji, zależy od wielu czynników, takich jak dostępna energia, centralność zderzenia, czy rodzaj i liczba nukleonów biorących udział w reakcji. W każdej reakcji jądrowej zawsze obowiązują zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu oraz zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów.

Zasady zachowania nakładają ograniczenia na możliwe rezultaty reakcji jądrowych i są bardzo użyteczne w badaniach materii jądrowej i procesów zachodzących w zderzeniach obiektów subatomowych. W wielu eksperymentach, z różnych przyczyn, fizycznych lub technicznych, nie jest możliwa detekcja wszystkich produktów reakcji. Często jednak wystarcza rejestracja tylko jednego z produktów reakcji, aby wyciągnąć wnioski na temat badanego procesu. W wielu reakcjach dwuciałowych rejestrujemy tylko cząstkę b lub jądro B. Jednak dzięki zasadom zachowania, które są zawsze spełnione w reakcjach jądrowych, można określić przebieg procesu dwuciałowego i wielkości charakteryzujące oba obiekty, rejestrując tylko jeden z nich. Jeżeli znamy energię, pęd i masę jednej z powstałych w badanej reakcji cząstek, jesteśmy w stanie jednoznacznie określić energię, pęd i masę drugiej cząstki. W reakcjach wielociałowych rejestracja tylko jednego z produktów nie pozwala na jednoznaczne określenie kanału wyjściowego reakcji. Możemy jednak określić możliwe scenariusze, gdyż prawa zachowania nakładają ograniczenia na to, jakie cząstki mogą powstać w reakcji i jakie mogą być ich energie i pędy. Prawa zachowania obowiązują również w przypadku samorzutnych przemian jądrowych. W procesach z udziałem cząstek elementarnych (np. elektronów) obowiązują jednak dodatkowe zasady zachowania, których nie będziemy tu dyskutować. Można o nich przeczytać w e‑materiałach dotyczących przemian beta, np. „Opisujemy rozpad $\beta$Indeks górny -^-”.

Prześledzimy na przykładzie wykorzystanie praw zachowania do określenia produktów reakcji dwuciałowej. W wyniku oddziaływania protonu (p) z jądrem berylu ${}_4^{9}Be$ powstaje cząstka alfa ($\alpha$), która jest rejestrowana w detektorze, oraz pewne jądro X o nieznanych liczbach atomowej i masowej. Korzystając z praw zachowania, możemy łatwo określić, jakie jądro powstało w reakcji. Dla uproszczenia zapisu ponumerujmy cząstki w kanałach wejściowym i wyjściowym. Schemat rozpatrywanej reakcji możemy zapisać jako

gdzie pod symbolem danej cząstki zapisano przyporządkowany jej numer.

Zasada zachowania ładunku elektrycznego mówi nam, że całkowity ładunek substratów reakcji w kanale wejściowym musi być taki sam jak całkowity ładunek produktów reakcji w kanale wyjściowym. W naszym przypadku oznacza to, że sumaryczny ładunek jądra berylu‑9 i protonu (jądra wodoru), musi być taki sam jak sumaryczny ładunek jądra X i cząstki alfa (jądra helu‑4). Ładunek jądra atomowego jest określony przez liczbę protonów wchodzących w jego skład i wynosi $+Ze$, gdzie $Z$ to liczba atomowa jądra, a $e$ to ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu. Zasadę zachowania ładunku możemy zapisać w następujący sposób:

Zasada zachowania liczby nukleonów mówi nam, że sumaryczna liczba nukleonównukleonynukleonów przed i po zajściu reakcji musi być taka sama. Liczbę nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego określa liczba masowa $A$. Zasadę zachowania liczby nukleonów możemy zapisać zatem w postaci

Na podstawie schematu reakcji dostajemy dwa równania określające liczby atomową i masową szukanego jądra: $4 + 1 = Z_{3}+ 2$ oraz $9 + 1 = A_{3} + 4$. Po przekształceniach otrzymujemy $Z_{3} = 3$ oraz $A_{3} = 6$. Zatem powstałe w reakcji jądro atomowe X to jądro litu‑6, ${}_3^{6}Li$.

Zobaczmy, jak korzystając z praw zachowania, można określić, jakie jądro powstaje w wyniku fuzji dwóch jąder XIndeks dolny 1₁ i XIndeks dolny 2₂. Zgodnie z zasadą zachowania liczby nukleonów i zasadą zachowania ładunku całkowita liczba nukleonów i całkowity ładunek substratów reakcji muszą być takie same jak całkowita liczba nukleonów i całkowity ładunek produktów reakcji. W reakcji kompletnej fuzji w kanale wyjściowym powstaje wzbudzone jądro złożone YIndeks górny *^*, co możemy zapisać schematycznie jako

Na przykład: w wyniku kompletnej fuzji jądra węgla‑12 z jądrem tytanu‑48 powstaje wzbudzone jądro niklu‑60:

Jądro złożone może pozbyć się nadwyżki energii na różne sposoby, w zależności od jego energii wzbudzenia i struktury. Pozbycie się nadwyżki energii może nastąpić poprzez emisję neutronów i promieniowania gamma. Lekkie cząstki naładowane, takie jak proton, czy cząstka alfa, również mogą być emitowane, jednak tylko wtedy, gdy energia wzbudzenia jest dostatecznie wysoka. W przypadku bardzo ciężkich jąder nawet niewielka nadwyżka energii ponad stan podstawowy może doprowadzić do ich rozszczepienia, jak ma to na przykład miejsce w reakcji wymuszonego rozszczepienia uranu‑235. Wszystkie prawa zachowania obowiązujące w reakcjach jądrowych obowiązują również w rozpadach wzbudzonych jąder atomowych i w przemianach promieniotwórczych.

Słowniczek