CURS DE FIZICĂ NUCLEARĂ curs7

14
REACŢII NUCLEARE Reacţii nucleare - ansamblul proceselor generate de interacţiunea a două sisteme nucleare sub acţiunea forţelor nucleare Y ) b , a ( X sau Q Y b X a + + + proiectil Ti n t a Particula emergenta nucleu rezidual Energia de reactie Prima reacţie nucleară -Rutherford în 1919 O p N 17 8 1 1 14 7 4 2 + + α Canale de reacţie –stări cuantice determinate ale sistemului proiectil-ţintă şi nucleu emergent-nucleu rezidual + + + + W d Z c Y b X a Canal de intrare Definitie Canal de iesire

description

FIZICĂ NUCLEARĂ

Transcript of CURS DE FIZICĂ NUCLEARĂ curs7

REACŢII NUCLEARE

Reacţii nucleare - ansamblul proceselor generate de interacţiunea a două sisteme nucleare sub acţiunea forţelor nucleare

Y)b,a(XsauQYbXa ++→+

proiectil

Tinta

Particula emergenta

nucleu rezidual

Energia de reactie

Prima reacţie nucleară -Rutherford în 1919

OpN 178

11

147

42 +→+α

Canale de reacţie –stări cuantice determinate ale sistemului proiectil-ţintă şi nucleu emergent-nucleurezidual

⎪⎩

⎪⎨

+++

→+WdZcYb

Xa

Canal de intrare

Definitie

Canal de iesire

Clasificare

Criterii de clasificare(a) natura nucleului ţintă, (b) energia nucleului proiectil, (c) natura nucleului proiectil

a) Natura nucleului ţintă.

•reacţii pe nuclee foarte uşoare A<5•reacţii pe nuclee uşoare 5≤A≤20•reactii pe nuclee medii 20≤A≤100•reacţii pe nuclee grele 100≤A≤210•reacţii pe nuclee foarte grele 210≤A≤260

b) Energia nucleului proiectil•reacţiile nucleare la energii joase - energia particuleiincidente are valori de până la 30 MeV•reacţiile nucleare la energii înalte - peste 30 MeVpână la câţiva GeV

c) Natura nucleului proiectil

•împrăştierea - elastică- neelastică

•reacţii nucleare de rearanjare•reacţii nucleare de captură radiativă•reacţii nucleare cu emisie de mai multe particule•reacţii fotonucleare

Împrăştierea elastică

Proces de interacţiune a două sisteme - stareainternă a sistemului rămâne neschimbată; au loc schimbări doar în nivelul parametrilor cinetici(transfer de impuls şi energie)

X)a,a(Xsau0Q,XaXa =+→+

Tipuri de imprăştieri elastice•ciocnire normală sau potenţială (shape-elastic scattering) - împrăştierea elastică a proiectilului are loc la suprafaţa nucleului ţintă•împrăştiere anormală sau împrăştiere elastică de rezonanţă (resonance scattering) - formarea unuisistem intermediar de nucleu compus şi apoi emisiaproiectilului cu aceeaşi energie (în sistemul centrului de masă)

Imprăştierea elastică totală este o sumă coerentă dintre împrăştierea potenţialăşi împrăştierea de rezonanţă

Împrăştierea neelastică

Implică transferul de energie cinetică a proiectilului în energie de excitare a nucleului ţintă, fără ca identitateacompoziţională a celor două sistemenucleare să fie modificată.

** X)'a,a(Xsau0QX'aXa =+→+

împrăştierea neelastică are loc numai dacă energia de interacţiune în SCM depăşeşte primul nivel de excitare a nucleului ţintă, (~o.1÷2MeV) şi este dependent de energia şi natura nucleului ţintă

Reacţii nucleare de rearanjare

natura nucleelor emergente este diferită de natura nucleelor incidente

0QYbXa ≠+→+

reacţii nucleare de rearanjare•reacţii nucleare de rearanjare sub influenţaneutronilor•reacţii nucleare de rearanjare sub influenţaparticulelor sau nucleelor încărcate

Reacţii de rearanjare sub acţiunea neutronilor- grupa cea mai largă de procesenucleare datorita lipsei barierei de potenţial(a) Reacţii de tip (n, p) – au loc cu neutroni rapizi (0.5-10 MeV)

YpXn A1Z

11

AZ

10 −+→+

conduc la formarea unor radioizotopi activi β- - exces de neutroni

−=

−=

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

β+⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯

ClS

NC3517

zile1.87T3516

147

ani5100T146

2/1

2/1

(b) Reacţii de tip (n, α)

α+−−→+ 42

10 )2Z,3A(Y)Z,A(Xn

nucleele grele - neutroni rapizi (0.5-10 MeV)-bariera inalta pentru emisie αα+→+ 4

22411

2713

10 NaAln

nucleele uşoare - şi cu neutroni termiciα+→+

α+→+42

73

105

10

42

31

63

10

LiBn

HLin

Reacţii de rearanjare sub acţiunea particulelor/nucleelor încărcatebariera de potenţial coulombian

ReZzB

2⋅⋅=

2/30ARRcu = si R0=1.5 10-15m.

2/3

2

AeZz96.0Bsau ⋅⋅

=

a)-reacţii generate de protonib)-reacţii generate de

deuteronic)-reacţii generate de

particulele αd)-reacţii generate de ioni

grei.

Tipuri de reacţii:

a)Reacţii generate de protoni

două tipuri (p, n) şi (p, α)

α+−−→+

++→+42

11

11

11

)1Z,3A(Y)Z,A(Xp

n)1Z,A(Y)Z,A(Xp

Reacţii de tip (p,n) - shimbare dintre un proton şi un neutron-un surplus de masă (masa neutronului este mai mare decât masa

protonului)-un surplus de protoni faţă de nucleul de echilibru

nucleul rezultat - prezintă radioactivitate β+ sau captură de electroni (captură K)MeV67.1QnBeLip 1

074

73

11 −=+→+

Reacţii de tip (p, α) – reactii exoterme-au loc doar la energii mari ale protonului (~25MeV)

HeLip

MeV2.17Q2Lip32

42

63

11

42

73

11

+α→+

=α⋅→+

b) Reacţii generate de de deuteroniTipuri de reacţii: (d, p), (d, n) şi (d, α)

α+−−→+

+++→+

++→+

42

21

10

21

11

21

)1Z,2A(Y)Z,A(Xd

n)1Z,1A(Y)Z,A(Xd

p)Z,1A(Y)Z,A(Xd

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

α+

+

+

→→+42

6128

10

6430

11

6429

nc6530

6329

21

Ni

nZn

pCu

ZnCud

în funcţie de energia cinetică a deuteronului se pot produce diferite reactii:

Cu nucleele uşoare la energii mici ale deuteronilor (~100keV)

MeV05,14deneutroniMeV6.17QnHeHd

MeV45,2deneutroniMeV28.3QnHeHd10

42

31

21

10

32

21

21

=+→+

=+→+

pHeHed

MeV0.4QpHHd11

42

32

21

11

31

21

21

+→+

=+→+

obţinerea radioizotopilor in acceleratorii de particule

+=

−=

−=

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

α+→+

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

+→+

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

+→+

NeNa

NaMgd

SP

pPPd

MgNa

pNaNad

2210

ani6.2T2211

42

2211

2412

21

3216

zile3.14T3215

11

3215

3115

21

2412

ore8.14T2411

11

2411

2311

21

2/1

2/1

2/1

c) Reacţii generate de particulele α

sunt de două tipuri: (α,n) şi (α,p).

Reactii de tip (α, n) )2Z,3A(Yn)Z,A(X 10

42 +++→+α radioactive β+

+=

+=

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

+→+α

β+⎯⎯⎯⎯ →⎯

+→+α

AlS

SinMg

CN

NnB

2713

sec5T2714

2714

10

2412

42

136

min10T137

137

10

105

42

2/1

2/1

surse izotopice de neutroni; particulele α emise de radioizotopi produc reacţii cuelemente uşoare şi emisie de neutroni: surse Am-Be, Ra-B sau Pu-Be

( )( ) MeV28.0QnNNB

MeV75.5QnCCBe10

145

155

115

42

10

126

136

94

42

=+→→+α

=+→→+α

Reacţii de tip (α ,p) –prima reactie nucleara Rutherfordp)1Z,3A(Y)Z,A(X 1

142 +++→+α

pON 11

178

147

42 +→+α

( ) MeV26.2QpSiPAl 11

3014

3115

2713

42 =+→→+αExemplu:

d) Reacţii generate de ioni grei

Reacţiile cu ioni grei (A>4) - posibilitatea studierii unui mare număr de nuclee aflateîn condiţii extreme ale stărilor nucleare:

● obtinerea unor stări izomere de mare densitate (nuclee superdense)● formarea unor stări cvasiatomice cu Z mare● sinteza de nuclee supragrele● sinteza unor nuclee neutrono excedentare● studiul unor noi mecanisme de dezintegrare, etc.

[ ]

n4KuPuNe

n4JlAmN

ArCaAlN

10

260104

24294

2210

10

254102

24395

147

42

3718

4120

2713

147

⋅+→+

⋅+→+

α+→→+Exemple:

Sintetizare elemente supragrele

[ ] n??PbNi 10

?110

20882

6428 ⋅+→+

● 1999-2001 au fost descoperite elementele cu Z=114 şi 116

● 1995-1996 au fost sintetizate elemente cu Z=110, 111, 112

[ ] n??PbKr 10

?118

20882

8636 ⋅+→+

Reacţii nucleare de captură radiativă (a,γ)Principalele de tip: (n,γ ) şi (p,γ )

Reacţii de tip (n,γ ) - se realizeaza cu neutroni lenţi şi termicirezultă de obicei radioizotopi care se dezintegrează β-

)stabil(HgAuAun

)stabil(CdAgAgn

)stabil(NiCoCon

)stabil(SPPn

)stabil(MgNaNan

19880

zile695.2T19879

19779

10

10848

min37.2T10847

10747

10

6028

ani27.5T6027

5927

10

3216

zile26.14T3215

3115

10

2412

ore96.14T2411

2311

10

2/1

2/1

2/1

2/1

2/1

+β⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯→+

+β⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯→+

+β⎯⎯⎯⎯ →⎯→+

+β⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯→+

+β⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯→+

−=

−=

−=

−=

−=

-constituie baza analizei prin activare cu neutroni (NAA)

În urma reacţiilor (n,γ) cu atomii de 238U şi 232Th se obţin materiale fisionabileutilizate drept combustibil nuclear în reactori

ThUPaTh),n(Th

UPuNpU),n(U

22990

ani106.1

23392zile27

23391min4.23

23390

23290

23592

ani104.2

23994zile3.2

23993min23

23992

23892

5

4

αββ

αββ

⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯γ

⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯γ

−−

−−

Reacţii de tip (p,γ )- constă în captura unui proton de către nucleul ţintă şi emiterea surplusului de energie sub forma de radiaţie γ

Nucleul format se situează în tabelul periodic cu o poziţie la dreapta faţă de elementul ţintă şi poate fi un izotop stabil sau un izotop radioactiv β+

)stabil(CrMn

MnCrp

)stabil(NO

ONp

)stabil(SiAlp

)stabil(BeLip

5324

ani107.3

5325

5325

5224

11

157s24.122

158

158

147

11

2814

2713

11

84

73

11

6⋅

β

β

⎯→⎯

+γ→+

⎯→⎯

+γ→+

+γ→+

+γ→+

+

+

Există şi situaţii rare în care nucleu rezidual este radioactiv β-

)stabil(TiSc

ScCap4722zile35.3

4721

4721

4620

11

β⎯→⎯

+γ→+−

Reacţii nucleare cu emisie de mai multe particuleEmisie de mai multe particule - reacţii de sfărâmare a nucleului (spallation) si au loc la energii foarte mari ale proiectilului (de peste 102 MeV) Y....d,c,bXa +→+

p9n12VAsdsaupn3NOn 11

10

5223

7533

21

11

10

137

138

10 ⋅+⋅+→++⋅+→+

►proiectilul transfera energie unuia sau mai multor nucleoni ai nucleului ţintă, care pot părăsi nucleul, iar proiectilul poate să treacă prin nucleu►proiectilul se opreaste în nucleu cedând întreaga energie; nucleul se ”încălzeşte”instantaneu la valori mari ale temperaturii nucleare - explozie a nucleului►la energii ultraînalte,(≈103 MeV) a proiectilului nucleul ţintă să fie sfărâmat înîntregime, producând dezintegrarea lui în toţi nucleonii constituienţi ai sistemului nuclear

Reacţii fotonucleare

Conditia de realizareenergia radiatiei γ sa fie mai mare decât energiade legătură a nucleonilor in nucleu

)stabil(WTa

TanTa

)stabil(PdAg

AgnAg

)stabil(MgAl

AlnAl

)stabil(BC

CnC

18074ore15.8

18073

18073

10

18173

10846min37.2

10847

10847

10

10947

2612

ani1017.7

CE2613

2613

10

2713

115min39.20

CE116

116

10

126

5

⎯→⎯

+→+γ

⎯→⎯

+→+γ

⎯⎯⎯ →⎯

+→+γ

⎯⎯⎯ →⎯

+→+γ

+

+

β

β

+β●dacă nucleul ţintă are numărul de masăA<100 nucleul rezidual-radioactiv β+ sau ek● dacă nucleul ţintă are numărul de masăA>100, nucleul rezidual-radioactiv β-

● energii ale radiaţiei γ peste 20 MeV suntprobabile reacţii de tip (γ, p), (γ, 2n), (γ, np) şi (γ, α) iar la energii de peste 100 MeV au loc şi reacţii cu emisie de mai multeparticule.