Jaderné reakce • základní typy jaderných reakcí • mechanismus jaderné reakce • charakteristiky jaderných reakcí Jaderné reakce X + x → Y + y terčové jádro jaderný projektil vznikající jádro menší částice stabilní nebo lehké jádro, nukleony, radioaktivní foton jaderná reakce - binukleární proces přeměny jádra - interakce jádra s jiným jádrem, nukleonem, fotonem Jaderné reakce 7 14 N + 2 4 He(α) → 8 17 O + 1 1 H(p)příklad 7 14 N(α, p) 8 17 O Zkrácený zápis jaderných reakcí umožňuje snadné členění reakcí na reakce typu: (,p); (,n); (n,); (d,p) Při všech jaderných reakcích platí zákony zachování : - nábojového, nukleonového, protonového čísla - energie - hybnosti Jaderné reakce energetické zabarvení jaderných reakcí závisí na součtu klidových hmotností produktů reakce - menší než interagující částice - exoergická - větší než interagující částice - endoergická Q = -931,5 m (MeV) m < 0 , Q > 0 exoergická reakce m > 0 , Q < 0 endoergická reakce Jaderné reakce endoergická reakce projektil musí mít určitou minimální kinetickou energii - prahová energie - velikost lze odvodit ze zákona zachování hybnosti výtěžek jaderné reakce při prahové energii projektilu je malý prakticky se reakce provádí s jaderným projektilem o vyšší energii, než je energie prahová výtěžek jaderné reakce je funkcí energie jaderného projektilu (excitační funkce) Jaderné reakce exoergické reakce - nemívají prahovou energii - u kladných projektilů je však nutná jistá kinetická energie, aby se překonala coulombovská bariéra - exoergické reakce neutronů probíhají s největším výtěžkem při nulové kinetické energii neutronů - někdy se pravděpodobnost reakce zvyšuje - rezonance - jestliže je excitační energie jádra blízká některé jeho energetické hladině Jaderné reakce Jaderné reakce charakteristiky jaderných reakcí okamžitá rychlost jaderné reakce časová změna, přírůstek, počtu atomů vznikajícího nuklidu N dt dN R  * =  - tok částic - počet projektilů dopadajících na plošnou jednotku terče za časovou jednotku N - počet terčových jader N* - počet atomů vznikajícího nuklidu  - účinný průřez Jaderné reakce účinný průřez [] = m2 - stará jednotka 1 Barn = 10-28 m2 - je úměrný pravděpodobnost zásahu projektilu do terčového jádra - zpravidla se liší svou hodnotou od geometrického průřezu - závisí na energii projektilu na typu jaderné reakce na excitační funkci Jaderné reakce Reakce  (m2) Pozn. 10B(n,)7Li 3,8.10-25 pomalé neutrony 238U(n,)239U 2,7.10-28 pomalé neutrony 249Cf(15N,4n)260Rf 3.10-33 vliv coulombické bariéry účinný průřez Jaderné reakce výtěžek jaderné reakce B - poměr počtu vznikajících atomů k počtu projektilů dopadajících na terč S - plocha terče S N Sdt dN B   == 1* Jaderné reakce výtěžek jaderné reakce B - velké výtěžky jsou typické pro exoergické reakce pomalých neutronů - počet N*je ve srovnání s počtem projektilů malý, nevyjadřujeme tedy výtěžek v % - výtěžek reakce se zpravidla vyjadřuje aktivitou vzniklého radionuklidu Jaderné reakce kinetika jaderné reakce - závislost počtu atomů vzniklých jadernou reakcí (N*) na době ozařování N* = Rt = Nt R má význam rychlostní konstanty - aktivita vznikajícího nuklidu - limitní hodnota - nasycená aktivita )1( t eRA − −= Jaderné reakce průběh jaderné reakce - do 10 MeV na nukleon projektilu - projektil je pohlcen terčovým jádrem - vznikne složené jádro - vychází z kapkového modelu jádra - složené jádro je ve vysoce excitovaném stavu - excitační energie pochází z kinetické energie projektilu a vazebné energie uvolněné při zachycení projektilu v jádře Jaderné reakce průběh jaderné reakce - příklad - energie jednotlivých nukleonů se neustále přerozděluje vzájemnými srážkami - může se stát, že některý nukleon získá takovou energii, která mu umožní opustit složené jádro a nastává druhá fáze procesu - rozpad složeného jádra ]F[HeN excit s 18 9 4 2 14 7 →+ Jaderné reakce rozpad složeného jádra - excitační energie složeného jádra se zmenší o vazebnou a kinetickou energii emitované částice - je-li excitační energie složeného jádra značná, může se uvolnit i více nukleonů reakce typu (α, pn) (n, 2n) (těžký ion, 4n) Jaderné reakce rozpad složeného jádra - nadbytečná energie, která již nestačí k emisi nukleonu, se vyzáří jako fotony - γ záření - jediný způsob deexcitace u nízkých excitačních energií reakce typu (n, γ) - doba života složeného jádra je 10-16 - 10-14 s - doba dostatečná k přerozdělení energie - nukleony projektilu jsou nerozlišitelné od nukleonů terče Jaderné reakce rozpad složeného jádra - existují tedy různé možnosti rozpadu složeného jádra - při ostřelování určitého terče určitým projektilem probíhá často několik jaderných reakcí současně Jaderné reakce rozpad složeného jádra - různými reakcemi může vznikat tentýž nuklid Jaderné reakce reakce neutronů - velmi časté reakce s vysokými výtěžky - pro neutron neexistuje potenciálová bariéra terčového jádra - pravděpodobnost záchytu neutronu je tím větší, čím je neutron pomalejší - déle se zdržuje v okolí jádra Jaderné reakce reakce neutronů - pomalé neutrony - tepelné neutrony, E = 0,002 - 0,5 eV - rezonanční neutrony, E = 0,5 eV -1 keV - rychlé neutrony E > 1 keV Jaderné reakce reakce (n, γ) - radiační záchyt neutronu - produktem je izotop terčového jádra, protože nízká excitační energie složeného jádra nestačí k uvolnění nukleonu - deexcitace probíhá vyzářením fotonu - zvýšený počet neutronů vede často k nuklidům, které podléhají přeměnám β- reakce má praktický význam pro průmyslovou produkci radionuklidů - např. výroba 32P,60Co X),n(X 1A Z A Z +  Jaderné reakce reakce jader se Z >10 s pomalými neutrony - jde o reakce (n, γ) - exoergické, Q = 6-10 MeV - probíhají téměř se všemi jádry - výtěžky bývají velké Jaderné reakce reakce jader se Z <10 s pomalými neutrony - zpravidla probíhají reakce typu (n, p), (n,α ) - převládají nad reakcemi (n, γ) - mají vysoké výtěžky a jsou exoergické - emise kladné částice je umožněna existencí nižší coulombické bariéry a existuje vyšší pravděpodobnost, že nukleon (nebo 2p + 2n) získají potřebnou energii k opuštění jádra Jaderné reakce reakce jader se Z <10 s pomalými neutrony - reakce se prakticky využívají 6Li(n,)3H výroba tritia 14N(n,p)14C výroba 14C 10B(n,)7Li měření a absorpce neutronů Jaderné reakce reakce těžších jader s neutrony o vyšších energiích - s rostoucí energií neutronů klesá výtěžek záchytné reakce - s rychlými neutrony (0,5 - 10 MeV) roste pravděpodobnost reakcí typu (n, p) a (n, α) - reakce jsou však zpravidla endoergické a mají malý význam - významnější jsou reakce typu (n, 2n) Jaderné reakce reakce kladně nabitých projektilů - tyto projektily musí při průniku do jádra překonat coulombovskou bariéru - nižší výtěžky reakcí ve srovnání s reakcemi neutronů - u exoergických reakcí musí mít projektil určitou kinetickou energii - proton - p, deuteron - d, α - částice, 3He, těžká jádra Jaderné reakce neutronová aktivační analýza - využití jaderných reakcí pro kvalitativní a kvantitativní chemickou analýzu - nedestruktivní analýza prováděná přímo vložením vzorku do ozařovacího kanálu ozařovacího zařízení (měření lze automatizovat) - využívá se známé jaderné reakce terčového jádra - po aktivaci se analyzuje gama spektrum z přímého ozařování („prompt gama“) - z velikosti aktivity pak lze soudit na kvantitu prvku - k vyhodnocení kvantity slouží standardy o známé hmotnosti, které se ozařují za stejných podmínek Jaderné reakce neutronová aktivační analýza - stanovení příměsí v čistých materiálech, horninách, kovech - archeologie - obsah stopových prvků umožňuje stanovit původ použitých surovin - výtvarné umění - cca 1 mg vzorku barvy umožní stanovit různé pigmenty charakteristické pro určité období - lze odhalit falzifikáty - kriminalistika - stopové množství spalin po střelbě ze zbraně