第五章 原子核反应

第五章原子核反应

原子核衰变是原子核内部自发进行的过程。在核衰变的过程中，原子核的能量变化范围十分有限，原子核的能级也很低。

核反应用快速粒子打击原子核而引起核的各种变化。在这一过程中，原子核的能级可以很高，产生的现象也多，因此，可以在更大的范围内对原子核进行研究。

§1 核反应的一般特征

用快速粒子打击原子核引起核发生各种变化的过程称为核反应，核反应可以表示为

A+a→B+b

式中A称为靶核，a表示入射粒子；B和b为核反应产物，B 称为余核，b表示反应生成的粒子。(热力学中一种重要的思维方法是用状态量表示过程量)

靶核A可以是各种核素，入射粒子可以是质子P，中子n，氘核d，α粒子、电子和光子等。核反应的出射粒子也可以是这些粒子。

例：14

7N+4

2

He→17

8

O+P

一、核反应的分类

由于入射粒子的种类，入射粒子的能量范围，靶核的轻重，出射粒子的性质，引起的核反应各不相同，为了便于研究，可以对不同情况分别加以考虑。

1、按入射粒子的种类，可将核反应分为

①中子核反应，如中子弹性散射（n ,n），中子非弹性散射（n ,n’），中子辐射俘获（n ,γ）等。

②带电粒子核反应，它可以分为

质子引起的核反应：如（p ,p）,(p,n), (p, α)等

氘引起的核反应：如（d,p）,(d, α)等

α引起的核反应：如（α，n）,( α,p)等

重离子引起的核反应：如（12C，4n）,(16O, α,3n) 等

③光致核反应：由γ光子引起核反应

如（γ，n）,( γ,P)等

此外高能电子也可以引起核反应

2、按入射粒子的能量分

①低能核反应：入射粒子的动能Ei<50Mev

出射粒子的数目为3-4个；

②中能核反应：50Mev

③高能核反应：Ei>1000Mev

这类核反应除产生介子外，还产生奇异核。

3、按靶核的质量分

轻核反应：A<25

中量核反应：25

重核反应：A>80

4、按出射粒子的性质不同分为

①核散射：入射粒子与出射粒子相同，又可分为：

弹性散射：如 12c(p,p)c12

非弹性散射：如 c12 (p,p’)c12N

②核转变：出射粒子与入射粒子不同，这是研究核反应的主要领域。

本章主要讨论低能核反应。入射粒子的能量小于50Mev。产生的出射粒子数目不多，这是本专业目前应用的较多的。

二、反应道

对于一定能量的入射粒子及靶核，能发生的核反应可能不止一种。例如，2.5Mev的氘核d轰击6Li时，可以产生下列反应：

4He+α

7Li+P

6Li+d→7Li*+P

1

7Li**+P

2

6Li+d

式中P表示相应反应中的质子。

反应道：在一定条件下，发生核反应的可能途径，称为反应道。对应于每一种核反应过程，称为一个反应道。反应前的道称为入射道，反应后的道称为出射道。这与人通过一个城堡的性质类似，入城有几种途径，出城也有几种途径。

前面讲的是一个入射道，有多个出射道。也有一个出射道，多个入射道的情形，如：

6Li+d

6Li+p →4He+α

7Be+n

产生各个反应道的几率一般是不相同的，并且这种几率还要随入射粒子的能量变化而变化。通常用核反应截面来描述核反应出现的几率。对于一定能量的入射粒子和靶核，到底能产生哪些反应道，与具体反应机制和核结构有关，同时还要受到守恒律的约束。

三、核反应中的守恒律

在原子核反应中，要遵守如下守恒律：

①电荷数守恒：反应前后体系的电荷数守恒。反应前的电荷数为靶核的电荷数+入射粒子的电荷数。反应后的电荷数为反应产物电荷数之和，例如

14 7N+α→17

8

O+P

反应前：7+2=9

反应后：8+1=9

②对于低能核反应，反应前后体系的质量数守恒，这实际上

是能量守恒的另一种表达。

如上例：反应前：14+4=18(μ)

反应后：17+1=18(μ)

③能量守恒，反应前后体系的总能量（静止能量+动能）不变。

即∑

i

i

M C2+∑

i

i

E=∑

f

f

M C2+∑

f

f

E

式中M

i 是反应前各粒和核的静止质量，E

i

是相应的动能；

M f 是反应后各粒子及核的静止质量，E

f

是相应的动能。

④动量守恒：因不考虑体系之外的力，因此反应前后体系的动量守恒。

∑i

i

P=∑

f

P f

⑤角动量守恒：在反应前后，体系若不受其它力矩的作用，因此反应前后体系的角动量守恒。即相应的角量子数守恒。

⑥同位旋守恒：反应前后体系的总同位旋守恒。

⑦宇称守恒：反应前后体系总对称性保持不变，即宇称守恒。

⑧统计性质不变。后面三条是量子力学中的概念，此处不讨论。

核反应中的守恒律是判断某一个核反应能否发生的基本依据。

§2 核反应中的能量

本节根据能量守恒和动量守恒要求讨论核反应中的一些问题

一、反应能

核反应放出的能量称为反应能，用Q表示。若Q>0，称为放能反应；若Q<0，称为吸能反应。考虑反应能后，核反应的表达式写为

A+a→B+b+Q