6. Jaderné reakce


Jadernou reakcí se rozumí binukleární proces přeměny jádra.















Platí:

·        zákony zachování nábojového, nukleonového, protonového čísla

·        energie

·        hybnosti



Zkrácený zápis jaderných reakcí umožňuje snadné členění reakcí na reakce typu:              (a,p);
(a,n); (n,g); (d,p), aj.









A) Energetika jaderných reakcí


exoergické (energie se uvolňuje, samovolné rozpady)


Reakce



endoergické (energie se musí dodat – zpravidla ve formě kinetické energie jaderného
projektilu)


Rozhodující je porovnání klidových hmotností částic před reakcí a po ní:

                                      Q = -931,5 Dm  (v MeV)


(energie 931,5 MeV je ekvivalentní hmotnostní jednotce)



Reakce proběhne, jestliže má projektil tzv. prahovou energii –

(její velikost lze odvodit ze zákona zachování hybnosti)


·        výtěžek jaderné reakce při prahové energii projektilu je malý


·        prakticky se reakce provádí s jaderným projektilem o vyšší energii, než je energie prahová


·        výtěžek jaderné reakce je funkcí energie jaderného projektilu (excitační funkce)



·        exoergické reakce nemívají prahovou energii


·        u kladných projektilů je však nutná jistá kinetická energie, aby se překonalo coulombická
bariéra


·        exoergické reakce neutronů probíhají s největším výtěžkem při nulové kinetické energii
neutronů


·        někdy se pravděpodobnost reakce zvyšuje – rezonance (odpovídá např. energetickým hladinám
nukleonů apod.)




B)  Charakteristiky jaderných reakcí


Okamžitá rychlost jaderné reakce  = časová změna (přírůstek) počtu atomů vznikajícího nuklidu (N*)



j  - tok částic (počet projektilů dopadajících na plošnou

jednotku terče za časovou jednotku


N - počet terčových jader


s - účinný průřez [m^2] – závisí na energii projektilu, na typu

jaderné reakce a na excitační funkci

(zpravidla se liší svou hodnotou od geometrického průřezu)

-vyjadřuje pravděpodobnost zásahu terč. jádra

                                              Reakce

                                                                                                          s (m^2)

                                                                                                                     Pozn.

                                           ^10B(n,a)^7Li

                                                                                                        3,8.10^-25

                                                                                                                pomalé neutrony

                                          ^238U(n,g)^239U

                                                                                                        2,7.10^-28

                                                                                                                pomalé neutrony

                                       ^249Cf(^15N,4n)^260Rf

                                                                                                         3.10^-33

                                                                                                           vliv coulombické bariéry



Výtěžek jaderné reakce = poměr počtu vznikajících atomů k počtu projektilů dopadajících na terč
(plocha terče je S)



·        velké výtěžky jsou typické pro exoergické reakce pomalých neutronů



·        výtěžek reakce se zpravidla vyjadřuje aktivitou vzniklého radionuklidu



Kinetika jaderné reakce = závislost počtu atomů vzniklých jadernou reakcí ozařováním (N*) na době
ozařování


                                          N* = Rt = sfNt


Vzniká-li radioaktivní nuklid, dochází během ozařování k jeho rozpadu








·        aktivita vznikajícího nuklidu roste zpočátku poměrně rychle

·        během delšího ozařování člen    1 a aktivita limituje ke konstantní hodnotě – nasycená
aktivita A[s]

 (obdoba trvalé radioaktivní rovnováhy)


                                             A[s]=sfN


·        delším ozařováním nelze získat delší aktivitu


·        A[s] je dána typem ozařovacího zařízení, terčem, druhem projektilu a jeho energií


·        pokud vzniká radionuklid s dlouhým poločasem rozpadu (tj. rychlost jeho přeměny je ve
srovnání s rychlostí jeho vzniku malá), pak se soustava chová jakoby vznikal stabilní nuklid –
delší ozařování se tedy projeví větším výtěžkem





Průběh jaderné reakce


Složené jádro (vychází z kapkového modelu jádra)


Vzniká při pohlcení jaderného projektilu terčovým jádrem




Ø  excitační energie pochází z kinetické energie projektilu a z vazebné energie, která se uvolní
při zachycení projektilu


Ø  tato energie se rovnoměrně rozdělí mezi nukleony



Ø  energie nukleonů se při vzájemných srážkách neustále přerozděluje


Ø  může se stát, že některý nukleon získá takovou energii, která mu umožní opustit složené jádro Þ
nastává druhá fáze procesu (rozpad složeného jádra)



Ø  excitační energie složeného jádra se zmenší o vazebnou a kinetickou energii emitované částice


Ø  je-li excitační energie složeného jádra značná, může se uvolnit i více nukleonů


reakce typu (a, pn), (n,2n), (těžký ion, 4n)



Ø  nadbytečná energie, která již nestačí k emisi nukleonu, se vyzáří jako fotony g-záření (jediný
způsob deexcitace u nízkých excitačních energií … reakce typu (n, g)


Ø  doba života složeného jádra je 10^-16 - 10^-14 s – doba dostatečná k přerozdělení energie


Ø  osud složeného jádra nezávisí na jeho vznik a při rozpadu složeného jádra mohou vznikat různé
produkty











Ø  různými reakcemi může vznikat tentýž nuklid