核反應

核反應

核反應(nuclear reaction),是指原子核與原子核,或者原子核與各種粒子(如質子,中子,光子或高能電子)之間的相互作用引起的各種變化。在核反應的過程中,會產生不同于入射彈核和靶核的新的原子核。因此,核反應是生成各種不穩定原子核的根本途徑。

  • 中文名稱
    核反應
  • 外文名稱
    nuclear reaction
  • 含義
    指粒子(如中子、光子、π介子等
  • 特點
    原子核與原子核之間的相互作用

簡介

核反應是指入射粒子(或原子核)與原子核(稱靶核)碰撞導致原子核狀態發生變化或形成新核的過程。反應前後的能量、動量角動量、質量、電荷宇稱都必須守恆。核反應是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現象。現今存在的化學元素除氫以外都是通過天然核反應合成的,在恆星上發生的核反應是恆星輻射出巨大能量的源泉。

核聚變核聚變

此外,宇宙射線每時每刻都在地球上引起核反應。自然界的碳14大部分是宇宙射線中的中子轟擊14產生的。1919年英國的E.盧瑟福用天然放射性物質的α粒子轟擊氮,首次用人工實現了核反應。30年代初加速器的出現和40年代初反應堆的建成,為研究核反應提供了強有力的工具。已能將質子加速到5×10^5兆電子伏,將原子核加速到約9×10^4兆電子伏,並能獲得介子束。高解析度半導體探測器的使用,大大提高了測量核輻射能量的精度。核電子學電腦技術的發展,從根本上改善了資料的獲取和處理能力。在過去半個多世紀裏,研究過的核反應數以千計,製備出了自然界不存在的放射性核素約2000種,發現了300餘種基本粒子,獲得了有關核素性質、核轉變規律、核結構、基本粒子以及自然界四種相互作用的規律和相互聯系的大量知識。

核反應原理圖核反應原理圖

定義

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我們來分析一下"原文"中對"核反應"的定義:"原子核在其它粒子的轟擊下產生新原子核的過程,稱為核反應".這個定義明顯是有一定局限性的,實際上描述的是另外一種原子核反應類型--原子核的人工轉變(包括重核裂變等)。

原子核粒子原子核粒子

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和鐳這些放射性元素,原子核內的質子和中子可以連續地由高能排列變成低能排列,這就稱為"核反應",釋放出來的多餘能量叫做"原子核能"。

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當用一定能量的入射核子去轟擊原子核時,由于兩者之間的相互作用而引起原子核的變化,這個過程稱為核反應.歷史上第一個人工核反應是1919年盧瑟福用天然放射源(釙Po)產生的。

4

所謂核反應,是指原子核受一個粒子撞擊而放出一個或幾個粒子的過程[1].在對其研究的過程中,實驗工作者常採用靜止的實驗室坐標系,進行資料的實際測量。

5

原子核反應及方程式原子核發生轉變的過程稱為核反應.書寫核反應方程的依據是反應前、後電荷數不變,質量數也不變。

原理

在核反應中,用于轟擊原子核的粒子稱為入射粒子或轟擊粒子,被轟擊的原子核稱為靶核,核反應發射的粒子稱為出射粒子,反應生成的原子核稱為剩餘核或產物核。入射粒子a轟擊靶核A,發射出射粒子b並生成剩餘核B的核反應可用以下方程式表示:

核反應

A+a→B+b 或簡寫為: A(a,b)B

若a、b為同種粒子,則為散射,並根據剩餘核處于基態還是激發態而分為彈性散射和非彈性散射,用A(a,a)A和A(a,a′)A*表示,給定的入射粒子和靶核能發生的核反應往往不止一種。每一種核反應稱為一個反應道反應道由入射道和出射道構成。入射粒子和靶核組成入射道,出射粒子和剩餘核組成出射道。同一入射道可以有若幹出射道,同一出射道也可以有若幹入射道。

發生某種核反應的幾率用核反應截面來表征。隻有滿足質量數、電荷、能量、動量、角動量和宇稱等守恆條件,核反應才能發生,相應的反應道稱為開放的,或簡稱開道,反之為閉道。核反應過程總是伴隨著能量的吸收或釋放,前者稱為吸能反應,反者稱為放能反應。反應能常用Q表示,等于反應後與反應前體系動能之差,可標明在核反應方程式中,例如:

H+H→He+n+Q Q=17.6MeV

對于吸能反應,僅當入射粒子的動能高于閾能(Eth)時才能引起核反應。

核反應按其本質來說是質的變化,但它和一般化學反應有所不同。化學反應隻是原子或離子的重新排列組合,而原子核不變。因此,在化學反應裏,一種原子不能變成另一種原子。核反應乃是原子核間質點的轉移,致使一種原子轉化為它種原子,原子發生了質變。核反應的能量效應要比化學反應的大得多。核反應能常以兆電子伏計量,而化學反應能一般隻有幾個電子伏。例如:核反應不是通過一般化學方法所能實現的,而是用到很多近代物理學的實驗技術和理論。首先要用人工方法產生高能量的核"炮彈",如氦原子核氫原子核、氘原子核等,利用這些"炮彈"猛烈撞擊別的原子核,從而引起核反應。各種各樣的加速器,都是為了人工產生帶電的高能粒子用做核"炮彈"來進行核反應的。當1932年人們發現中子後,不但對原子核的結構有了正確的認識,而且發現中子是一種新型的核"炮彈"。由于中子不帶電荷,它和原子核之間不存在電排斥力,因而用它來產生核反應時,比用帶電的其他高能粒子效果好得多。一些工廠有核反應堆。

核反應通常分為四類:衰變、粒子轟擊、裂變和聚變。前者為自發發生的核轉變,而後三種為人工核反應(即用人工方法進行的非自發核反應)。

值得一提的是,核反應的衰變,裂變,以及聚變是高中物理對于原子物理的初步學習。核反應逐漸的平民化,已經成為了學生學習的基本知識之一。

分類

按入射粒子的不同,核反應可分為三類:①中子核反應,如中子的彈性散射(n,n)、非彈性散射(n,n′),中子的輻射俘獲(n,γ),發射帶電粒子的核反應(n,p)、(n,α)等,又如中子裂變反應(n,f),發射兩粒子的核反應(n,2n)、(n,pn)等;②帶電粒子核反應,如質子引起的核反應(p,γ)、(p,n)、(p,p)、(p,p′)、(p,α)、(p,2n)等,氘核引起的核反應(d,n)、(d,p)、(d,α)等,α粒子引起的核反應(α,n)、(α,2n)、(α,p)等,重離子引起的核反應(12C,4n)、(22Ne,6n)等;③光核反應,即光子引起的核反應,如(γ,n)、(γ,p)、(γ,α)、(γ,f )等。

按入射粒子的能量,核反應又可粗分為三類:①低能核反應,入射粒子能量低于108電子伏,對于較輕的重離子,每個核子平均能量低于107電子伏(如108電子伏的碳12核),也屬于低能核反應的範疇,低能核反應的出射粒子的數目最多為3~4個;②中能核反應,入射粒子能量在108~1010電子伏之間;③高能核反應,入射粒子能量大于1010電子伏。

可控核聚變

因為聚變的材料是氘氚的離子,都帶有正電荷,因此想要發生聚變,必須先克服電磁勢。為了克服電磁勢,氘氚離子就必須帶有很高的能量,而且密度要足夠大。聚變這個專業裏有一個術語叫勞森判據,是指如果想要輸出能量大于輸入能量,就必須滿足溫度、密度、能量約束時間這三者的乘積大于一個固定值。為了達到勞森判據,好的能量約束方式是必不可少的,顯然用爐子瓶子這種方式是不可能約束住溫度大概在1億攝氏度左右的電漿的。以下是幾種主要約束方式:

1.磁約束 。在高中我們就學過,電子、離子在磁場下會打轉,而不會自由地逃離磁力線,因此磁場是約束高溫電漿的一個很好的方式。有很多種磁約束的裝置,比如托卡馬克、球形環、紡星器等。

2.慣性約束 。慣性約束的核心思想就是利用這些離子的慣性,在他們還來不及散開的時候把溫度密度提升到一個可以聚變的水準上。氫彈其實就是慣性約束的一種,但是它不算是受控聚變。這是因為它為了實現約束,是靠核子彈在外邊引爆然後向內擠壓的。慣性約束聚變裝置一直在努力尋求的,正是取代核子彈,用其他更溫和的方式向內擠壓。主流的方案是靠高功率的雷射。

3.引力約束 。這個是太陽以及所有恆星的約束方式,地球上就別想了。

4.其他約束 。有很多奇怪的人提出過一些奇怪的聚變約束方式,隻不過它們都沒有取得過什麽實質性的進展。。。

特點

1、連鎖反應

某些核反應存在連鎖反應的現象,如:U-235和中子的核反應:隻要有一個中子轟擊U-235,就會放出3個中子,3個中子再去轟擊U-235就會生成9個中子,這樣連續下去,在幾微秒的時間裏,就使反應進行得非常劇烈而放出巨大的能量,具有這種特點的反應,我們稱之為連鎖反應。核子彈的爆炸能夠如此劇烈,就是由于發生了連鎖反應。

核反應

2、伴隨核輻射

在U-235與中子的核反應中,如果反應不密封的話,產生的中子會以光速射向周圍環境,形成輻射。以光速運動的微小粒子都能產生輻射。輻射看不見、摸不著。但是可以通過儀器測得。少量的輻射對人體不產生影響,而且人類還利用輻射為人類造福,例如醫院用X光給病人做胸透,放療是治療癌症比較常用的方法,其原理就是利用輻射來殺死癌細胞。但是輻射量一多,就會對人體產生傷害。比如X光可以用于檢查疾病,但是如果孕婦照X光的話,就有可能導致嬰兒畸形或基因變異。同樣,接受放療的病人,會有脫發、惡心、乏力等副反應出現。劑量再大一點的輻射,還會使成人產生基因變異,誘發白血病(血癌)、皮膚癌等疾病。大量的輻射,還會燒傷甚至燒死一切有生命的物質。

3、高效

4、清潔、無污染

核能是清潔、無污染的新能源: 以法國為例:1980-1986年間,法國核電佔總發電量的比例由24%-70%,在此期間法國總發電量增加40%,而排放的含硫物質降低了9%,塵埃減少了36%。大氣質量明顯改善。

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