curs de fizicĂ nuclearĂ curs7
DESCRIPTION
FIZICĂ NUCLEARĂTRANSCRIPT
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
+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.