“炮击”原子核

第三节　“炮击”原子核

核反应的简单原理

上一节介绍了许多的加速器，就是说如果我们有了各种各样轰击原子核的工具。现在我们就来研究一下原子核在受到各种能量炮弹的轰击下产生了什么样的变化。显然这里必定有奇花异木、五彩缤纷、极为有趣的现像，让我们把核反应的过程一幕幕地在面前展现吧。我们可以通过许多手段对这些千差万别的核反应过程进行研究；可以探索在这样微小的原子核世界中，在核反应过程中的许多细微的机制问题；以及通过这些实验也就是变革原子核的过程中，我们已经了解到的核反应如何进行，我们又能获得关于原子核结构那些方面的知识。

核反应其实是一个很复杂的过程，现在我们先来略为的介绍一下：独立粒子阶段，就是入射的粒子刚刚接近靶原子核时的情况。这时原子核整体作为一个势场对入射粒子相互作用，也就是说入射粒子很可能实际上根本没有碰上原子核，它的运动路线就发生偏转了，当然这时靶上原子核的成分是不会起任何变化的，入射的和出射的也将是同一种粒子，并且它们彼此还保持相对的独立性，碰以前和碰以后整个系统的总动能是相同，这就是所谓形状弹性散射。当然也会有这样情况，即靶上原子核作为整体，多少受到一些扰动，能量起了变化，那么这时入射的和出射的粒子虽然相同，但它们的动量也将起一定的变化，这就是不完全的弹性散射或称它为非弹性散射。另外一种情况即入射的粒子有很大可能撞到靶上的原子核或者说入射的粒子被原子核吸收了，即变成复合系统阶段，当然这时入射的粒子就可能与出射的粒子不一样了，就可能入射的是中子而出来的却是质子或者入射的是氘核而出来的却是质子等，我们就可以从射进去的粒子和射出来的粒子的种类、能量和射出的方向分布情况，以及发生各种情况的几率去推测靶原子核结构的各种知识。

原子核反应中的几个守恒定律

核反应的过程是错综复杂的，但它也不是毫无规律的，辩证唯物主义认为世界是物质的，而且物质世界是可以认识的，即使在这样小的微观世界里的复杂反应过程中，仍然遵守许多宏观世界中的许多守恒定律。当然，也存在一些微观世界特有的守恒定律。

经过无数的实验反复证实，如下几种守恒定律在一定的范围内是守恒的，我们借助这些守恒定律可以方便地分析和研究那些反应是怎样发生和变化的。当然我们相信在人类认识自然的长河中，某些现在认为是守恒的个别定律有朝一日在某种特定的条件下被打破，成为不守恒或者它们守恒定律所适应的范围有所变化。

在核反应中到底有哪些守恒定律呢？

（1）电荷守恒。反应前后的总电荷量是不变的。

（2）质量数守恒。核反应前后总的质量数不变。

（3）总质量和总能量守恒。反应前后粒子的运动质量的总和不变（指相对论性的质量），并且与质量相联系的总能量也不变。当然一般地说它们的静质量是不守恒，核反应前后静质量的差别正反映着核结合能的变化。

（4）动量守恒。在核反应中，原子核的质量m和这个核具有速度v的乘积叫做该原子核的动量。动量是矢量，它的方向就是速度v的方向。在核反应前后，体系的总动量不变。在质心坐标中，整个体系的动量矢量的总和始终是零。

（5）角动量守恒。核反应前后体系的总角动量不变。

（6）宇称守恒。在核反应过程中整个体系的宇称是不变的。就是说描写整个过程的体系波函数，在空间的反演下具有相同的变换性质。

在核反应过程中除了以上六个守恒定律限制外还有同位旋守恒以及统计性守恒等，这里不一一列举了。

核反应中几个重要概念

了解了上面的介绍以后，我们知道，尽管是在微观的核反应过程中，仍然要遵守着那么多的守恒定律，下面还可以利用这些定律，获得一些核反应的重要的结果。

1．反应能Q

它就是核反应过程总动能变化的差值，通常用Q来表示。我们知道在化学反应过程中要伴随着热能吸收或放出，比如16克氧与2克氢化合成18克水，这个反应过程同时放出70千卡的热。同样，14克的¹⁴N和4克α粒子进行¹⁴N＋α→p＋¹⁷O反应，在核的反应过程中也要释放出能量，不过这能量要比化学反应释放能量大得多，大约是2．7×10⁷千卡。由此看出同样是18克的物质，核反应要比化学反应释放出的能量高出4×10⁵倍，这说明核反应过程能量的变化是何等之大。核反应能的计算可以根据同时满足质量守恒和总能量守恒的原理（但动能的总和在反应前后并不守恒），通过反应过程整个体系静止质量的变化来计算得到。如果静止质量由于核反应过程减少了，则给出正的Q值；相反的，如果核反应过程静止质量增加了，则给出负的Q值，这相当于化学反应过程的放热反应和吸热反应。所以我们常常看到完整的核反应过程的写法是把整个反应过程的Q值同时标明，如：

7Li＋p→⁴He＋⁴He＋17．28MeV

这17．28MeV即反应过程释放的核能。通常这个反应能Q既可以通过计算得到，亦可以从核反应实验中直接测定出来。

核反应的阈能

由于存在着核反应能Q值，随核反应情况不同而有正负两种情况，也就是说从能量守恒的观点看，不是任何能量的入射粒子都能引起核反应。显然对于Q值为负的那种吸能核反应，只有当入射粒子的动量达到由于核反应过程必须吸收的反应能Q那样大小的能量时，核反应才能得以发生。我们就定义刚好满足吸能核反应过程，入射粒子具有的最低动能为该种核反应的阈能。显然，对于放能反应阈能原则等于零，这仅对于质心坐标而言。如果对实验室坐标而言，由于反应前入射粒子带有一定动量，为了保证反应前后的动量守恒，所以反应后产物和出射粒子也分别要有一定的动量，因而一般地说在实验室坐标中对吸能核反应的阈能要比Q值大。

核反应的截面

当我们用一定能量入射粒子去轰击某种原子核时，可能发生的核反应是各种各样的。有可能入射粒子被靶原子核弹射出来，也有可能在核反应过程中入射粒子进入靶原子核内形成复合核，发生很复杂的过程。

而在这复杂过程中，不是出现每一种反应几率都相等，而是可能产生某种核反应可能性大些，某种核反应的可能性却相反变得少些。我们得用一种物理量去反映各种反应所可能有的机会，或者称反应几率的大小差别，而且这物理量不仅可以用理论计算得到，又能在实验过程中被测量得到，这里就需要引进核反应截面这个概念。它是这样被定义的，即一个粒子入射到单位面积内只含一个靶原子核的靶子上所发生的反应几率。所以截面就是代表反应几率大小的物理量，显然这是一个非常小的数值。因此在大多数的情况下，核反应的截面数量级就和一个原子核的截面πR²相接近，这里的R即原子核的半径，也就是说截面的数量级是10^－24厘米²，通常记作“巴”，实际上使用有时还显得它太大，就用10^－27厘米²（毫巴）做单位。我们已经说过，入射粒子与靶原子核产生的核反应其最后结果是各种各样，但它们各自可能的机会也是各种各样，亦即截面是各不相同。所以把各种反应的截面加起来的总和称之为总截面，而对应每一种的反应截面则分别称为某种核反应分截面。由于核反应时出射的粒子可以向各个方向发射出来，所以如果测量在单位时间内从某个方向上单位立体角dΩ内出射的核反应后的出射粒子数，我们还可定义它为微分截面。显然这微分截面是随测量时探测器所处的出射角θ的变化而变化的，我们就称它们之间的变化关系为角分布。

产额

但是入射的粒子在靶上能引起多少靶核起核反应呢？这里又需要一个新的物理量去反映它，并且也要求这个物理量能够进行理论计算和实验测量。于是引进核反应的产额这个物理量，它反映一个入射粒子在靶中引起核反应的数目，定义为核反应产额。这个物理量当然与靶子的各种条件如厚度、靶子的纯度及物理状态等都有影响。显然，产额与截面是有密切的关系，某种核反应当它截面越大时则核反应的产额也高。这个量在同位素生产以及人工放射性测量方面都有很重要的意义。比如说，利用中子来产生的一些核反应，在薄靶的情况下，产额与靶的厚度成正比。所以要求核反应的产额大，则靶的厚度就有一定的要求。

另外，我们提一下核反应截面还可能会和入射粒子的能量有关系，即截面可能随入射粒子能量的大小而发生变化，这里还可引进一个有用的概念即激发函数曲线，用它来专门反映核反应截面随入射粒子的能量变化情况。