核反應(yīng)的原理是什么

【專家解說】：核反應(yīng)是指入射粒子(或原子核)與原子核(稱靶核)碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。反應(yīng)前后的能量、動量、角動量、質(zhì)量、電荷與宇稱都必須守恒。 核反應(yīng)是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現(xiàn)象。現(xiàn)今存在的化學(xué)元素除氫以外都是通過天然核反應(yīng)合成的，在恒星上發(fā)生的核反應(yīng)是恒星輻射出巨大能量的源泉。 此外，宇宙射線每時每刻都在地球上引起核反應(yīng)。自然界的碳14大部分是宇宙射線中的中子轟擊氮14產(chǎn)生的。1919年英國的E.盧瑟福用天然放射性物質(zhì)的α粒子轟擊氮，首次用人工實現(xiàn)了核反應(yīng)。30年代初加速器的出現(xiàn)和40年代初反應(yīng)堆的建成，為研究核反應(yīng)提供了強(qiáng)有力的工具。目前已能將質(zhì)子加速到5×105兆電子伏，將鈾原子核加速到約9×104兆電子伏，并能獲得介子束。高分辨率半導(dǎo)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(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從根本上改善了數(shù)據(jù)的獲取和處理能力。在過去半個多世紀(jì)里，研究過的核反應(yīng)數(shù)以千計，制備出了自然界不存在的放射性核素約2000種，發(fā)現(xiàn)了300余種基本粒子，獲得了有關(guān)核素性質(zhì)、核轉(zhuǎn)變規(guī)律、核結(jié)構(gòu)、基本粒子以及自然界四種相互作用的規(guī)律和相互聯(lián)系的大量知識。 定義1 我們來分析一下“原文”中對“核反應(yīng)”的定義:“原子核在其它粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程,稱為核反應(yīng)”.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(yīng)類型--原子核的人工轉(zhuǎn)變(包括重核裂變等)。 定義2 像鈾、釷和鐳這些放射性元素,原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子可以連續(xù)地由高能排列變成低能排列,這就稱為“核反應(yīng)”,釋放出來的多余能量叫做“原子核能[1]”。 定義3 當(dāng)用一定能量的人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(yīng).歷史上第一個人工核反應(yīng)是1919年盧瑟福用天然放射源(釙Po)產(chǎn)生的7 定義4 所謂核反應(yīng),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,實驗工作者常采用靜止的實驗室坐標(biāo)系,進(jìn)行數(shù)據(jù)的實際測量。 定義5 原子核反應(yīng)及方程式原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程稱為核反應(yīng).書寫核反應(yīng)方程的依據(jù)是反應(yīng)前、后電荷數(shù)不變,質(zhì)量數(shù)也不變。 原理 在核反應(yīng)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(yīng)發(fā)射的粒子稱為出射粒子，反應(yīng)生成的原子核稱為剩余核或產(chǎn)物核。入射粒子a轟擊靶核A，發(fā)射出射粒子b并生成剩余核B的核反應(yīng)可用以下方程式表示: A+a→B+b 或簡寫為: A(a,b)B 若a、b為同種粒子，則為散射，并根據(jù)剩余核處于基態(tài)還是激發(fā)態(tài)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(fā)生的核反應(yīng)往往不止一種。每一種核反應(yīng)稱為一個反應(yīng)道。反應(yīng)道由入射道和出射道構(gòu)成。入射粒子和靶核組成入射道，出射粒子和剩余核組成出射道。同一入射道可以有若干出射道，同一出射道也可以有若干入射道。 發(fā)生某種核反應(yīng)的幾率用核反應(yīng)截面來表征。只有滿足質(zhì)量數(shù)、電荷、能量、動量、角動量和宇稱等守恒條件，核反應(yīng)才能發(fā)生，相應(yīng)的反應(yīng)道稱為開放的，或簡稱開道，反之為閉道。核反應(yīng)過程總是伴隨著能量的吸收或釋放，前者稱為吸能反應(yīng)，反者稱為放能反應(yīng)。反應(yīng)能常用Q表示，等于反應(yīng)后與反應(yīng)前體系動能之差，可標(biāo)明在核反應(yīng)方程式中，例如: 3H+2H→4He+n+Q Q=17.6MeV 對于吸能反應(yīng)，僅當(dāng)入射粒子的動能高于閾能(Eth)時才能引起核反應(yīng)。 核反應(yīng)按其本質(zhì)來說是質(zhì)的變化，但它和一般化學(xué)反應(yīng)有所不同?；瘜W(xué)反應(yīng)只是原子或離子的重新排列組合，而原子核不變。因此，在化學(xué)反應(yīng)里，一種原子不能變成另一種原子。核反應(yīng)乃是原子核間質(zhì)點的轉(zhuǎn)移，致使一種原子轉(zhuǎn)化為它種原子，原子發(fā)生了質(zhì)變。核反應(yīng)的能量效應(yīng)要比化學(xué)反應(yīng)的大得多。核反應(yīng)能常以兆電子伏計量，而化學(xué)反應(yīng)能一般只有幾個電子伏。例如:核反應(yīng)不是通過一般化學(xué)方法所能實現(xiàn)的，而是用到很多近代物理學(xué)的實驗技術(shù)和理論。首先要用人工方法產(chǎn)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(yīng)。各種各樣的加速器，都是為了人工產(chǎn)生帶電的高能粒子用做核“炮彈”來進(jìn)行核反應(yīng)的。當(dāng)1932年人們發(fā)現(xiàn)中子后，不但對原子核的結(jié)構(gòu)有了正確的認(rèn)識，而且發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生核反應(yīng)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(yīng)堆。 核反應(yīng)通常分為四類:衰變、粒子轟擊、裂變和聚變。前者為自發(fā)發(fā)生的核轉(zhuǎn)變，而后三種為人工核反應(yīng)(即用人工方法進(jìn)行的非自發(fā)核反應(yīng))。 分類 按入射粒子的不同，核反應(yīng)可分為三類:①中子核反應(yīng)，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(fā)射帶電粒子的核反應(yīng)(n,p)、(n,α)等，又如中子裂變反應(yīng)(n,f)，發(fā)射兩粒子的核反應(yīng)(n,2n)、(n,pn)等;②帶電粒子核反應(yīng)，如質(zhì)子引起的核反應(yīng)(p,γ)、(p,n)、(p,p)、(p,p′)、(p,α)、(p,2n)等，氘核引起的核反應(yīng)(d,n)、(d,p)、(d,α)等，α粒子引起的核反應(yīng)(α,n)、(α,2n)、(α,p)等，重離子引起的核反應(yīng)(12C,4n)、(22Ne,6n)等;③光核反應(yīng)，即光子引起的核反應(yīng)，如(γ,n)、(γ,p)、(γ,α)、(γ,f )等。 按入射粒子的能量，核反應(yīng)又可粗分為三類:①低能核反應(yīng)，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(yīng)的范疇，低能核反應(yīng)的出射粒子的數(shù)目最多為3~4個;②中能核反應(yīng)，入射粒子能量在108~1010電子伏之間;③高能核反應(yīng)，入射粒子能量大于1010電子伏。 特點 1、連鎖反應(yīng) 某些核反應(yīng)存在連鎖反應(yīng)的現(xiàn)象，如:U-235和中子的核反應(yīng):只要有一個中子轟擊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(xù)下去，在幾微秒的時間里，就使反應(yīng)進(jìn)行得非常劇烈而放出巨大的能量，具有這種特點的反應(yīng)，我們稱之為連鎖反應(yīng)。原子彈的爆炸能夠如此劇烈，就是由于發(fā)生了連鎖反應(yīng)。 2、伴隨核輻射 在U-235與中子的核反應(yīng)中，如果反應(yīng)不密封的話，產(chǎn)生的中子會以光速射向周圍環(huán)境，形成輻射。以光速運(yùn)動的微小粒子都能產(chǎn)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(chǎn)生影響，而且人類還利用輻射為人類造福，例如醫(yī)院用X光給病人做胸透，化療是目前治療癌癥比較常用的方法，其原理就是利用輻射來殺死癌細(xì)胞。但是輻射量一多，就會對人體產(chǎn)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(dǎo)致嬰兒畸形或基因變異。同樣，接受化療的病人，會有脫發(fā)、惡心、乏力等副反應(yīng)出現(xiàn)。劑量再大一點的輻射，還會使成人產(chǎn)生基因變異，誘發(fā)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(zhì)。 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，法國核電占總發(fā)電量的比例由24%-70%，在此期間法國總發(fā)電量增加40%，而排放的含硫物質(zhì)降低了9%，塵埃減少了36%。大氣質(zhì)量明顯改善。