原子核的“化学反应”

　　核物理科普系列五

　　原子核的“化学反应”即核反应,它的过程:即原子核与原子核,或者原子核与其他粒子(如中子、光子等)之间相互作用所引起的各种变化。

　　一般情况下,核反应是由以一定能量的入射粒子轰击靶核的方式出现;入射粒子可以是质子、中子、光子、电子、各种介子以及原子核等。

　　当入射粒子与核距离接近10-15m时,两者之间的相互作用就会引起原子核的各种变化,因而核反应是产生不稳定核的最重要手段。

　　核反应实际上研究两类问题:一是研究在能量、动量等守恒的前提下核反应能否发生;二是研究参加反应的各类粒子间的相互作用机制并进而研究核反应发生的概率大小。

　　一、核反应的一般描述

　　1 核反应与反应道

　　核反应可以表示为:A(a,b)B,分别代表靶核、入射粒子、出射轻粒子、剩余核;

　　当入射粒子能量比较高时,出射粒子的数目可能是两个或两上以上,核反应的一般表达式为A(a,b1,b2,b3…)B;

　　反应道:一个粒子与一个原子核的反应或两个原子核的反应往往不止一种,而可能有好几种,其中每一种可能的反应过程称为一个反应道;

　　反应前的过程称为入射道,反应后的过程称为出射道;

　　一个入射道可以对应向个出射道;对于同一个出射道也可以有几个入射道;

　　2 核反应分类

　　(1)按出射粒子分类:

　　散射:出射粒子和入射粒子相同的核反应,即a=b;它又可以分为弹性散射和非弹性散射。

　　核反应:出射粒子与入射粒子不同,这时剩余核不同于靶核。

　　(2)按入射粒子分类:

　　中子核反应:中子与核作用时由于不存在库仑势垒,能量很低的慢中子就能引起核反应,其中最重要的是热中子辐射俘获(n,γ),很多重要的人工放射性核素就是由(n,γ)反应制备的;如核反应堆中著名的裂变核素的增殖反应也属于热中子辐射俘获,238U(n,γ)239U→β→239Np→β→239Pu;慢中子还能引起(n,p)/(n,γ)等反应;快中子引起的核反应主要有(n,p)/(n,α)/(n,2n)等反应。

　　荷电粒子核反应:属于这类反应的有:

　　质子引起的核反应:

　　氘核引起的核反应:

　　α粒子引起的核反应;

　　重粒子引起的核反应(比α粒子重的离子称为重离子);

　　光核反应:由γ光子引起的反应,其中最常见的是(γ,n)反应,

　　此外电子也能引起核反应。

　　(3)也可以按入射粒子的能量来分类:

　　低能核反应:入射粒子能量在在100MeV以下的;

　　中能核反应:入射粒子能量在100MeV~1GeV的反应;

　　高能核反应:入射粒子能量在1GeV以下的。

　　二、核反应能及其阈能

　　1 反应能:

　　反应能Q应等于反应前后体系总质量之差(以能量为单位);

　　对Q>0的核反应称之为放能反应;对于Q<0称为吸能反应。

　　2 核反应阈能

　　对于吸能反应而言,能发生核反应的最小入射粒子动能Ta称为核反应阈能Tth;

　　为保持动量守恒,入射粒子的动能除了要供给被体系吸收的Q值外,还要提供反应产物的动能,显然,Ta必须超过Q一定的数值才能发生吸能反应;

　　要使吸能反应能发生,入射粒子在L系中的动能Ta至少等于(ma+mA)/mA×Q,并定义为反应阈能Tth;

　　三、核反应截面和产额

　　对核反应发生概率的研究是反应的动力学问题;

　　为了描述反应发生的概率,需引入反应截面的概念;

　　1 核反应截面

　　单位时间内入射粒子与靶核发生反应数N应与I(单位时间的入射粒子数)和Ns(单位面积内的靶核数Ns=ns)成正比,N=σINs;

　　σ称为截面,其物理意义为:一个入射粒子入射到单位面积内只含有一个靶核的靶子上所发生反应的概率;其量给为面积,常用单位为巴,用b表示,1b=10-28m2=10-24cm2;还有毫巴(mb)和微巴(μb);

　　对于一定的入射粒子和靶核,往往存在若干反应道,各反应道的截面称为分截面,各种分截面之和称为总截面,它与分截面的关系为:σt=Σσi;它表示产生各种反应的总概率;

　　核反应中的各种截面均与入射粒子的能量有关,截面随入射粒子能量的变化关系称为激发函数,即σ(E)-E的函数关系;与此函数相应的曲线为激发曲线。

　　2 反应产额

　　核反应的产额:入射粒子在靶体引起的核反应数与入射粒子数之比,Y=N/I0;

　　Y与反应截面、靶的厚度、组成等有关;

　　对靶体,不同深度处的核反应截面是不同的。

　　四、核裂变及核能的利用

　　(一)自发裂变与诱发裂变

　　1 自发裂变:在没有外来粒子轰击下,原子核自行发生裂变的现象。

　　自发裂变的一般表达式:X(Z,A)→Y1(Z1,A1)+Y2(Z2,A2);

　　在自发裂变的母核与裂变产物间满足如下的关系:A=A1+A2;Z=Z1+Z2,即粒子数守恒;

　　自发裂变能Qf,s,定义为两个裂变产物的动能之和,Qf,s=TY1(Z1,A1)+TY2(Z2,A2);

　　由能量守恒可以导出:

　　Qf,s=M(Z,A)C2-[M(Z1,A1)+M(Z2,A2)]×C2;

　　Qf,s=B(Z1,A1)+B(Z2,A2)-B(Z,A),式中B为结合能;

　　自发裂变发生的条件:Qf,s大于0,即两裂变碎片的结合能大于裂变核的结合能;

　　裂变碎片是很不稳定的原子核,一方面碎片处于较高的激发态,另一方面它们是远离β稳定线的丰中子而发射中子,所以自发裂变核又是一种很强的中子源;

　　超钚元素的某些核素如Cm244、Bk249、Cf252、Fm255等具有自发裂变的性质,尤其以Cf252最为突出,1g的Cf252体积甚小于1cm3,而每秒可发射2.31E12个中子。

　　2 诱发裂变:在外来粒子轰击下,原子核才发生裂变的现象;

　　当具有一定能量的某粒子a轰击靶核A时,形成的复合核发生裂变,其过程记为A(a,f1)f2表示裂变,其中f1,f2代表裂变的裂变碎片;

　　当形成复合核时,复合核一般处于激发态,其激发能E*超过它的裂变位垒高度Eb时,那么核裂变就会立即发生;

　　诱发裂变中,中子诱发裂变是最重要也是研究最多的诱发裂变;

　　诱发裂变的一般表达式为:n+X(Z,A)→X*(Z,A+1)→Y1(Z1,A1)+Y2(Z2,A2);

　　一般假定靶核是静止的,中子的动能为Tn;

　　根据复合核激发能和裂变势垒的相对大小,可以分为热中子核裂变和阈能核裂变两种情况;

　　热中子核裂变:复合核的激发能大于其的位垒高度,这些核称为易裂变核;

　　阈能核裂变:若复合核的激发能比其裂变位垒高度低,不易发生裂变;称为不易裂变核如铀238、钍232等。

　　(二)裂变后现象

　　裂变后现象是指裂变碎片的各种性质及其随后的衰变过程及产物,如碎片的质量、能量、释放的中子、γ射线等;

　　原子核裂变后产生两个质量不同的碎片,它们受到库仑排斥而飞离出去,使得裂变释放的能量大部分转化成碎片的动能,这两个碎片称为初级碎片;

　　初级碎片是很不稳定的原子核,一方面是由于碎片具有很高的激发能,另一方面它们是远离β稳定线的丰中子核,因而能直接发射中子(通常发射1~3个中子)。

　　发射中子后的碎片的激发能小于核子的平均结合能(8MeV)不足以发射核子,主要以发射γ光子的形式退激。

　　在上述过程中发射的中子和γ光子是在裂变后小于10-16s的短时间内完成的,称为瞬发中子和瞬发γ光子。

　　发射中子后的碎片称为次级碎片或称裂变的初级产物。

　　发射γ光子后初级产物仍是丰中子核,经过多次β衰变链,最后转变成稳定的核素。

　　β衰变的半衰期一般是大于10-2s,相对于瞬发裂变中子和γ射线,这是慢过程。

　　在连续β衰变过程中有些核素可能具有较高的激发能,其激发能超过中子结合能就有可能发射中子,这时发射的中子称为缓发中子(其产额占裂变中子数的1%左右)。

　　1 裂变碎片的质量分布

　　裂变碎片的质量分布又称为裂变碎片按质量分布的产额,具有一定的规律性;发射中子前和发射中子后的碎片的质量分布有些差异,但基本上特征是相同的;

　　在二分裂情况下,碎片Y1、Y2的质量分布有两种情况:

　　对Z≤84和Z≥100的核素,质量对称为概率最大,称为对称裂变;

　　90≤Z≤98的核素其自发裂变和低激发能诱发裂变的碎片质量分布是非对称的,称为非对称裂变,随激发能的提高,非对称裂变向对称裂变过滤;

　　对于质量数在228~255的锕系元素,如铀233、钚239、锎252的非对称裂变后的碎片质量均有AH约为140,而且AH、AL互补,这说明AH=140的核特别容易形成,这是壳效应引起的;

　　核裂变重碎片的质量平均数在AH≈140几乎不变,而轻碎片的则随裂变核而改变。

　　2 裂变能及其分配

　　根据能量守恒定律,重核发生二分裂的裂变能可以表示为:

　　Qf=Δmc2=[M*(Z0,A0)-M(Z1,A1)()-M(Z2,A2)()-νmn]c2;

　　式中:代表激发态复合核的原子质量;为发射中子后的碎片经β衰变而形成的两个稳定核的原子质量;ν为裂变中发射的中子数。

　　3 裂变中子

　　裂变中子包含瞬发中子和缓发中子(约点总数的1%)两部分;

　　瞬发中子的能谱N(E)和每次裂变放出的平均中子数是重要的物理量;

　　缓发中子产生于裂变碎片的某些β衰变链中,缓发中子的半衰期就是中子发射体的β衰变母核的β衰变的半衰期。