14.3.1 Základné charakteristiky a klasifikácia jadrových reakcií

Deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami alebo s inými atómovými jadrami sa nazývajú jadrové reakcie. Pri takýchto reakciách sa mení štruktúra jadier a platia zákony zachovania počtu nukleónov, elektrického náboja, hybnosti a relativistickej celkovej energie. Všeobecné vyjadrenie jadrovej reakcie je:

(14.3.1.1)

kde A je ľubovoľné terčové jadro, a – častica, ktorá s ním interaguje, B – vzniknuté jadro, b – emitovaná častica, Q – energia reakcie.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Príklad 14.3.1.1 Aká energia v MeV sa uvoľní pri jadrovej reakcii, kde terčové jadro je izotop ⁷Li, ostreľujúcou časticou je protón a po reakcii vznikajú dve jadrá hélia ⁴He.

Atómové hmotnosti sú: m_Li = 7,01600 u, m_He = 4,00260 u, hmotnosť protónu m_p = 1,00783 u.

Riešenie: Rozdiel hmotností elementov pred a po reakcii je Dm = ( m_Li + m_p – 2m_He ) u, a uvoľnená energia:

Účinný prierez jadrovej reakcie s [m²] je podiel pravdepodobnosti P, že pre daný terčík nastane určitá interakcia, vyvolaná dopadom častíc určitého druhu a energie – a fluencie týchto častíc F.

Fluencia častíc F [m^-2] je rovná počtu častíc dopadajúcich do malej gule v danom bode priestoru, deleného plošným obsahom hlavného rezu tejto gule (obr.14.3.1.1).

Pri interakcii častice a s jadrom A môžu všeobecne nastať rôzne procesy, preto potom zvlášť definujeme napr. účinný prierez pre záchyt, účinný prierez pre pružný rozptyl, účinný prierez pre štiepenie, atď. Celkový účinný prierez s_tot je potom súčet všetkých účinných prierezov zodpovedajúcich rôznym reakciám alebo procesom medzi dopadajúcimi časticami daného typu a energie – a jadrom terča.

Zo zväzku ostreľovacích častíc N ubudne dN častíc v dôsledku interakcie s terčom:

kde dN^* = n S dx je počet terčových častíc, n ich koncentrácia v objeme S dx. Separujme premenné a integrujme:

Riešením dostaneme exponenciálny úbytok pôvodných ostreľujúcich častíc v terčíku so vzdialenosťou:

(14.3.1.2)

kde a = n s [m^-1] je lineárny koeficient zoslabenia.

Zavedením hmotnostného koeficientu zoslabenia m [kg^-1×m²] dostaneme tento absorpčný zákon v tvare:

(14.3.1.3)

kde r je hustota absorbujúceho prostredia, r d – je plošná hustota vrstvy materiálu.

V súčasnosti poznáme viac ako 1500 rôznych izotopov a pre každý z nich existujú viaceré jadrové reakcie, v ktorých môžu vystupovať ako terče, alebo prostredníctvom iných reakcií vznikať. Je známych viac ako 10 000 rôznych jadrových reakcií, ktoré môžeme klasifikovať podľa rôznych kritérií, napr.:

a) podľa energie ostreľujúcich častíc nastávajú reakcie pri nízkych energiách týchto častíc (< 10 eV), stredných (< 10 MeV) a vysokých (> 10 MeV);

b) podľa druhu ostreľujúcich častíc môžu reakcie prebiehať s nenabitými časticami (neutróny, fotóny) alebo s nabitými časticami (elektróny, protóny, deuteróny, ióny ľahkých prvkov);

c) podľa druhu terčových jadier – delíme reakcie na ľahkých jadrách (A< 50), na stredných jadrách (50 < A <100) a reakcie na ťažkých jadrách (A >100);

d) podľa energie reakcie delíme jadrové reakcie na endoenergetické (Q < 0) kedy sa energia na vznik reakcie spotrebuje, a reakcie exoenergetické (Q >0) kedy sa energia pri reakcii uvoľňuje;

e) podľa charakteru jadrových premien poznáme napr. reakcie – radiačný záchyt, vzbudenie jadier, delenie jadier, jadrový fotoefekt, jadrová syntéza, rozptyl a pod.;

f) podľa mechanizmu, akým prebiehajú reakcie ich delíme na priame a nepriame.

Z celého spektra jadrových reakcií spomeňme v krátkosti niektoré z nich.