北京大学：《核物理与粒子物理导论》精品课程教学资源（课件讲稿）第九章 原子核反应（9.1-9.6）

第九章原子核反应 原子核与原子核,或者原子核与其它粒子(例如中子、y光子等)之 间的相互作用所引起的原子核的各种变化叫做核反应。 目的:认识原子核结构,应用核效应。 核反应与核衰变的区别:自发与外在作用的区别 变化范围与程度相差很大

第九章 原 子 核 反 应 原子核与原子核，或者原子核与其它粒子（例如中子、 γ 光子等）之 间的相互作用所引起的原子核的各种变化叫做核反应。 目的：认识原子核结构，应用核效应。 核反应与核衰变的区别：自发与外在作用的区别 变化范围与程度相差很大

§91核反应概述 1.实现核反应的途径 必须使相互作用粒子接近到核力作用范围之内,即小于10-14m的数量级 (1)用放射源产生的高速粒子去轰击原子核 14N+4He-→y17O+H a粒子称为入射粒子,也叫轰击粒子;14N核称为靶核;173O和1H统称为反 应产物,其中较重者称为剩余核,较轻者称为出射粒子。通常把反应式简写 为 GNa,p) 17 8 用放射源提供入射粒子来研究核反应,入射粒子种类很少,强度不大,能 量不高,而且不能连续可调。目前已很少用了

§9.1 核反应概述 1．实现核反应的途径 必须使相互作用粒子接近到核力作用范围之内，即小于10-14m的数量级。 （1） 用放射源产生的高速粒子去轰击原子核。 α粒子称为入射粒子，也叫轰击粒子；147N核称为靶核；178O和11H统称为反 应产物，其中较重者称为剩余核，较轻者称为出射粒子。通常把反应式简写 为 α用放射源提供入射粒子来研究核反应，入射粒子种类很少，强度不大，能 量不高，而且不能连续可调。目前已很少用了。 HOHeN 11 178 42 147 +→+ Op)N( 178 147 α

(1)利用宇宙射线来进行核反应。 (2)利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应。 人们已经可以使用种类繁多、能区宽、束流强和品质好的入射束流进 行核反应实验,从而极大地扩展了核反应的研究领域。 静电加速器 串列静电加速器 直线加速器 回旋加速器 同步回旋加速器 对撞机 次级束流线与储存环

（1） 利用宇宙射线来进行核反应。 （2） 利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应。 人们已经可以使用种类繁多、能区宽、束流强和品质好的入射束流进 行核反应实验，从而极大地扩展了核反应的研究领域。 静电加速器 串列静电加速器 直线加速器 回旋加速器 同步回旋加速器 对撞机 次级束流线与储存环

2.核反应的分类 核反应的表示: A+aB+b(9.1-2) 或 A (a, b)B 当入射粒子能量较高时,出射粒子可以不止一个,而有两个或两个以上。 例如30MeV的a粒子轰击6Ni,可以产生反应: 6Ni+a→>02Cu+p+n 简写为 Ni(a, pn)Cu

2．核反应的分类 核反应的表示： （9.1-2） 或 A（a，b）B 当入射粒子能量较高时，出射粒子可以不止一个，而有两个或两个以上。 例如30MeV的α 粒子轰击60Ni，可以产生反应： b+B a+A Ni npCu 60 62 α ++→+ 简写为 Cupn)Ni( 60 ， 62 α

核反应分类 按出射粒子 核反核款射弹性散射A(a2A 非弹性散射A(aA 核转变A(ab)Bb≠a,B≠A 按入射粒子种类 中子核反应(n,m,(m,n,m1p) 带电粒子核反应(p,X),(a,X) 核反应光核反应(y,X) 重离子核反应(H1X 放射性束核反应(RIB,X)

核反应分类 按出射粒子 ' * A(a,a)A A(a,a )A A(a,b)B b a, B A ⎧ ⎧ ⎪ ⎨ ⎨ ⎩ ⎪ ⎩ ≠ ≠ 弹性散射 核散射 核反应 非弹性散射 核转变 按入射粒子种类 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ............ ),( ( X),( )......,(),,( ( ...... XRIB HI,X) XXp n,n),(n,n ),(n,p). ' 放射性束核反应 重离子核反应 光核反应 带电粒子核反应 中子核反应 核反应 γ α

按入射能量 低能核反应E/A<30MeV 小于费米能 核反应中能核反应30MeV<EA<1000yV于费米能 高能核反应1000MeV<E/A 亚核子自由度 按物理机制 复合核反应 熔合反应 核反应/直接核反应 碎裂反应 深度非弹反应

按入射能量 ⎪⎩ ⎪⎨⎧ E/AMeV1000 30MeV E/A 1000MeV E/A 30MeV p pp p 高能核反应 中能核反应 低能核反应 核反应 按物理机制 ⎪⎪⎪⎪⎩ ⎪⎪⎪⎪⎨⎧ .......... 深度非弹反应 碎裂反应 直接核反应 熔合反应 复合核反应 核反应 小于费米能 大于费米能 亚核子自由度

反应道 对一定的入射粒子和靶核,能发生的核反应过程往往不止一种。例如, 能量为25MeV的氘核轰击i时,可以产生下面一些反应 4He+a LI+ p 6Li+d→ Li*(第一激发态)+p1 1Li+p>He+ L第二激发态)+P2|7 Be+n Litd 式中p,P和p2分别表示相应反应中放出的质子。 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,对于同一个入射道,可以有若干个出射道,对于同一个 出射道,也可以有若干个入射道。产生各个反应道的概率是不等的,而且 这种概率随入射粒子能量的变化而不同

3．反应道 对一定的入射粒子和靶核，能发生的核反应过程往往不止一种。例如， 能量为2.5MeV的氘核轰击6Li时，可以产生下面一些反应： ( ) ( ) ⎪⎪⎪⎪⎩ ⎪⎪⎪⎪⎨⎧ + + + + + →+ L dLi Li p Li* p PLi He Li 6 2 7 1 7 0 7 4 6 第二激发态 第一激发态 α d 式中p0，p1和p2分别表示相应反应中放出的质子。 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，对于同一个入射道，可以有若干个出射道，对于同一个 出射道，也可以有若干个入射道。产生各个反应道的概率是不等的，而且 这种概率随入射粒子能量的变化而不同。 ⎯⎯→ +α ⎪⎭ ⎪⎬⎫ + + + He nBe pLi dLi 4 7 7 6

4.观测量与守恒定律 物理观测量:粒子种类(粒子鉴别)、截面、能量、角度,极化度…… 直接观测量:能量、位置、飞行时间、飞行径迹、记数率 核反应过程主要遵守以下几个守恒定律: (1)电荷守恒。即反应前后的总电荷数不变。 (2)质量数守恒。即反应前后的总质量数不变。只对低能反应适用。 (3)能量守恒。即反应前后体系的总能量(静止能量和动能之和)不变。 (4)动量守恒。即反应前后体系的总动量不变。 (5)角动量守恒。即在反应过程中,总角动量不变。 (6)宇称守恒。即对每一类型的核反应,体系总的宇称不变

4．观测量与守恒定律 物理观测量：粒子种类（粒子鉴别）、截面、能量、角度，极化度…… 直接观测量：能量、位置、飞行时间、飞行径迹、记数率………. 核反应过程主要遵守以下几个守恒定律： （1）电荷守恒。即反应前后的总电荷数不变。 （2）质量数守恒。即反应前后的总质量数不变。只对低能反应适用。 （3）能量守恒。即反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变。 （4） 动量守恒。即反应前后体系的总动量不变。 （5） 角动量守恒。即在反应过程中，总角动量不变。 （6） 宇称守恒。即对每一类型的核反应，体系总的宇称不变

例: Na,p)&o 4N核和a粒子的角动量分别为1和0,宇称都是+1 若两者对心或低能碰撞,则其轨道角动量为0,于是反 应前体系的总角动量为1,总宇称是+1。 O核和质子的角动量分别为52和1/2,宇称都是+1。角 动量的矢量和是2或3。为了保持反应后体系的总角动量也是1 ,核与质子间的轨道角动量(能取以下可能值:1,2,3或2 ,3,4。为了保持宇称守恒,轨道角动量只能取2和4

Op)N( 178 14 例： 7 α， N147 核和α 粒子的角动量分别为1和0，宇称都是＋1。 若两者对心或低能碰撞，则其轨道角动量为0，于是反 应前体系的总角动量为1，总宇称是＋1 。 O178 核和质子的角动量分别为5/2和1/2，宇称都是＋1。角 动量的矢量和是2或3。为了保持反应后体系的总角动量也是1 ，核与质子间的轨道角动量l只能取以下可能值：1，2，3或2 ，3，4。为了保持宇称守恒，轨道角动量只能取2和4

§92反应能 应用能量守恒定律和动量守恒定律 1.反应能 核反应过程中释放出的动能,称为反应能,通常用符号Q表示。 Q>0的反应叫做放能反应,QB+b+O 例如反应 6Li+d→4He+a+224MeV 其Q为正值,所以它是放能反应

§9.2 反应能 应用能量守恒定律和动量守恒定律 1．反应能 核反应过程中释放出的动能，称为反应能，通常用符号Q表示。 Q＞0的反应叫做放能反应，Q＜0的反应叫做吸能反应。 考虑反应能后，核反应的表示式为 + → + bBaA + Q 例如反应 MeV4.22HedLi 6 4 α ++→+ 其Q为正值，所以它是放能反应