原子核反应

1.原子核反应概述

原子核与其他粒子（例如中子、质子、电子和γ光子等）或者原子核与原子核之间相互作用引起的各种变化称为核反应，其能量变化可以高达几百兆电子伏特。核反应发生的条件是：原子核或者其他粒子（中子、γ光子）充分接近另一个原子核，一般来说需要达到核力的作用范围（量级为10－13 cm）。可以通过三个途径实现核反应：①用放射源产生的高速粒子轰击原子核；②利用宇宙射线中的高能粒子来实现核反应，其能量很高，但强度很低，主要用于高能物理的研究；③利用带电粒子加速器或者反应堆来进行核反应，是实现人工核反应的主要手段。核反应一般表示为

式中，A、a为靶核与入射粒子；B、b为剩余核与射出粒子。

按射出的粒子不同，核反应可以分为核散射和核转变两大类。按粒子种类不同，核反应又可分为中子核反应（包括中子散射、中子俘获）、带电粒子核反应、光核反应和电子引起的核反应。此外，核反应还可根据入射粒子的能量分为低能核反应、中能核反应和高能核反应。在包括加速器驱动清洁核能系统（ADS）在内的新型核能的可利用范围中，通常只涉及低中能核反应。大量实验表明，核反应过程遵守的主要守恒定律有：电荷守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒、角动量守恒以及宇称守恒。

2.核反应的反应能

核反应过程释放出来的能量，称为反应能，常用符号Q来表示。Q＞0的反应称为放能反应，Q＜0的反应称为吸能反应。考虑了反应能后的核反应可表示为：

可以用质量亏损Δm计算Q：

每次裂变反应产生的平均反应能大约为200MeV，因为裂变碎片衰变成裂变产物和过剩中子非裂变俘获都要产生能量。1 g235 U完全裂变所产生的能量为0.948 MWd（兆瓦日）。

3.核反应截面与产额

当一定能量的入射粒子轰击靶核时，可能以各种给率引发多种类型的核反应。为了建立分析核反应过程的理论核进行实验测量，引入反应性截面的概念。对一个厚度很小的薄靶，入射粒子垂直通过靶子时，其能量变化可以忽略。假设单位面积内的靶核数为Ns（cm－2），单位时间的入射粒子数为I（s－1），单位时间内入射粒子与靶核发生反应数N′（s－1）可表示为：N′＝бINs。比例系数б就称为核反应截面或有效截面，量纲为cm2，其物理意义为一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核发生反应的概率。б是一个很小的量，大多数情况它都小于原子核的横截面，约为10－24 cm2的数量级，用“靶恩（或靶）”为单位，记为“barn或b（1b＝10－24 cm2）”。

入射粒子在靶中引起的反应数与入射粒子数之比，称为核反应产额Y，与反应截面、靶的厚度、纯度、靶材料等有关。对大于粒子在靶中的射程R的厚靶，有时用平均截面来表示反应产额，其定义如下：

其中

4.核反应过程和核反应机制

外斯柯夫（V.F.Wwisskopf）于1957年提出了核反应过程分为三阶段描述的理论，如图6-2所示，它描绘了核反应过程的粗糙图像。核反应的三个阶段是：独立粒子阶段、复合系统阶段、复合系统分解阶段。直接作用机制作用时间较短，一般为10－22～10－20 s，发射粒子的能谱为一系列单值的能量，角分布不具有对称性；复合核作用时间较长，可长达10－15 s，发射出粒子的能谱接近于麦克斯韦分布，角分布的各向同性或有90°对称性。

图6-2　核反应过程的三阶段描述

图6-3描述了核反应过程各种截面之间的关系。其中，бτ是总的有效截面；бpot是势散射截面；бsc是弹性散射截面；бres是共振散射截面；бa是进入复合系统的吸收截面；бcn是复合核形成截面；бr是反应机敏或称去弹性散射截面；бD是直接反应截面。由图6-3可知，бτ＝бpot＋бa；бτ＝бsc＋бr；бsc＝бpot＋бres；бa＝бcn＋бD。бcn一般不等于бτ，只有当бres和бD可忽略时，两者才相等。玻耳于1936年提出的复合核模型的思路与描述核结构的液滴模型相似，把原子核比拟成液滴，并假设低能核反应分为两个独立的阶段，即复合核形成与复合核衰变，则：

式中，C为复合核，下标i和j分别对应所有可能的入射反应道核核衰变道；бab是反应的截面；бcn（Ea）是复合核的形成截面；Wb（E∗）为复合核通过发射粒子b的衰变概率。利用复合核模型可解释核反应共振现象，计算共振峰处的反应截面、复合核反应过程，以及发射粒子能谱等。