Przeczytaj
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 (), lekką cząstką naładowaną, np. protonem (p), czy cząstką alfa (). Cząstka a może być też tzw. ciężkim jonemciężkim 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”.
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 może prowadzić do wielu różnych kanałów wyjściowychkanałów wyjściowych, w tym do takich, w których powstają więcej niż dwa produkty.
Przykładem może być reakcja zachodząca pomiędzy helem i trytem w gwiazdach, która może prowadzić do powstania cząstki alfa, protonu i neutronu,
lub do powstania cząstki alfa i jądra deuteru ,
Jeżeli w kanale wyjściowymkanale 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 Indeks górny --”.
Prześledzimy na przykładzie wykorzystanie praw zachowania do określenia produktów reakcji dwuciałowej. W wyniku oddziaływania protonu (p) z jądrem berylu powstaje cząstka alfa (), 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 , gdzie to liczba atomowa jądra, a 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 nukleonównukleonów przed i po zajściu reakcji musi być taka sama. Liczbę nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego określa liczba masowa . Zasadę zachowania liczby nukleonów możemy zapisać zatem w postaci
Na podstawie schematu reakcji dostajemy dwa równania określające liczby atomową i masową szukanego jądra: oraz . Po przekształceniach otrzymujemy oraz . Zatem powstałe w reakcji jądro atomowe X to jądro litu‑6, .
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
(ang.: substrates) inaczej substraty reakcji jądrowej.
(ang.: products) inaczej produkty reakcji jądrowej.
(ang.: heavy ions) jony pierwiastków cięższych od helu.
(ang.: nucleons) składniki jąder atomowych, wspólna nazwa dla protonów i neutronów.