核反应
3Li
）与氘（2
1H
）反应形成高度激发状态的中间产物 ——8
4Be
原子核，并立即再衰变为两个α粒子（4
2He
）。图中的红色球体代表质子，蓝色球体则代表中子。
核反应（英语：Nuclear reaction）在核物理和核化学中是指两个原子核，或一个原子核和另一个外来的亚原子粒子，发生碰撞并产生一或多个核素的过程。因此，核反应必定导致一种核素被转换成另一种核素。若一个原子核和另一个原子核或粒子发生相互作用，并在不改变核素本质的情况下分离，这个过程将被视为一种核散射，而非核反应。核反应分成核聚变和核裂变。
原则上，一个核反应能包含多于两次粒子碰撞，但由于三个原子核以上同时出现于同一处的概率远小于两个原子核，此类碰撞相当罕见（参见3氦过程以了解类似三体核反应的例子）。“核反应”一词可指和其他粒子的碰撞所诱发的核素改变，或核素不经碰撞发生的自发性反应。
自然情况下，核反应发生于宇宙射线及物质间的相互作用。核反应亦可透过人为方式，用可调节的速率、可依需求而变的方式操作，以获取核能。可裂变材料中的核链式反应能够造成诱发核裂变。不同轻元素间的核聚变反应供应太阳及恒星的能量产出。
历史
[编辑]1919年，欧内斯特‧卢瑟福利用α粒子撞击氮原子核，在曼彻斯特大学成功做出将氮转为氧的蜕变反应：14N + α → 17O + p 。此为人类首次观测到的诱导核反应，也就是一次衰变产生的粒子被用于转换另一个原子核的反应。最终，1923年，卢瑟福的同僚约翰·考克饶夫及欧内斯特·沃尔顿在剑桥大学完成了第一次完整的人造核反应与核蜕变，他们利用人工加速的质子撞击锂-7原子核，将其拆分为两个α粒子。这项创举被大众称为“拆开原子”，尽管其并非现代所认知的核衰变反应，也就是1938年德国科学家奥托‧哈恩、莉泽‧麦特纳及弗里茨‧施特拉斯曼所发现发生于重元素中的核反应。[1]
命名
[编辑]核反应能以类似化学反应方程的形式表达，在化学反应方程中，方程两侧静止质量必须守恒，且粒子的转变必须遵循特定守恒律，诸如电荷与重子数（质量数总和）守恒。此类表示法如下例所示：
为了平衡上式中的质量、电荷与质量数，第二式右方的原子核，原子序必为2，质量数必为4；因此，其亦为氦-4原子核。故，完整反应式为：
或更简洁地表示为：
在许多情况下，人们常采用较短小精简的符号描述核反应，而非如上式呈现的完整方程。在此种精简的方法中，形式A(b,c)D等同于A + b产生c + D。许多质量轻的粒子常使用此方式缩写。一般而言，p代表质子，n代表中子，d代表氘，α代表α粒子（He-4核），β代表β粒子（电子），γ代表γ光子，诸如此类。前述反应可写成6Li(d,α)α。[2][3]
能量守恒
[编辑]动能可在核反应（放热反应）的过程中被释放至外界，或动能须由外界提供以使核反应（吸热反应）得以发生。此能量变化可参考极精确的粒子静止质量表计算而得，[4] 具体方式如下：根据该表，
6
3Li
原子核的标准原子质量为6.015原子质量单位（简写作u），氘为2.014u，He-4原子核则为4.0026u。因此，
- 个别原子核静止质量总和=6.015 + 2.014 = 8.029 u；
- 两个氦核静止质量总和= 2 × 4.0026 = 8.0052 u；
- 损失静止质量= 8.029 – 8.0052 = 0.0238原子质量单位。
在核反应中，若计入相对论效应，总能量守恒。因此，“失去”的质量必以释出的动能再度出现；其来源为核结合能。利用爱因斯坦的质能守恒方程 E = mc2，可以决定释放的能量。首先，我们需要得出一个原子质量单位对应的能量大小：
- 1 u c2 = (1.66054 × 10−27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2
- = 1.49242 × 10−10 kg (m/s)2 = 1.49242 × 10−10 J (焦耳) × (1 MeV / 1.60218 × 10−13 J)
- = 931.49 MeV,
- 因此 1 u c2 = 931.49 MeV。
故，释出的能量为0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV。
以另一种方式表达：质量减少了0.3%，相当于90 PJ/kg的0.3%，即270 TJ/kg。
对核反应而言，这是个庞大的能量值；能释出如此大量的能量，乃因He-4原子核的单位核子结合能异常地高，而这是因为He-4是“双幻数”的。（He-4原子核异常稳定并紧密结合，和其为钝气的原因相同：He-4中各个质子、中子对填满其1s核轨域，如同其电子对填满其1s电子轨域）。因此，α粒子在核反应式的右侧经常出现。
核反应中的能量释放，主要以下列三种方式之一出现：
当产物原子核处于介稳状态，我们在其原子序旁加注米字号 （“*”） 。此能量最终透过核衰变释放。
少部分能量亦可能以X射线的形式产生。一般而言，产物原子核具有和反应物不同的原子序，因此其电子壳层的组态将是错误的。在电子自行重新排列并降至较低能级的过程，内部过渡X射线（具精确界定的发射光谱线之X射线）可能被释放。
Q值与能量平衡
[编辑]书写反应方程时，我们也可以利用类似化学反应方程的方式，将反应的能量变化加注于右侧：
- 靶核+弹核→终核+释出核+Q
对于先前讨论过的例子，其反应能量变化已经计算出，为 Q = 22.2 MeV。因此，
反应能量（即“Q值”）对于放热反应而言是正值，对于吸热反应则为负值，与在化学中的类似表示法相反。一方面，Q值是反应终侧与反应起始侧动能总和的差。然而，另一方面，Q值亦是反应终侧与反应起始侧原子核静止质量的差。（透过此方法，我们已于上文计算了Q值）
反应速率
[编辑]反应方程可被平衡，不代表该反应真的能发生。反应发生的速率取决于能量、入射粒子通量，与反应横截面。巨大反应速率存储库的一个例子是REACLIB数据库，其由联合核天文物理研究所维护。
带电与非带电粒子
[编辑]在启动核反应的最初碰撞中，粒子间的距离必须够短，使得短距离强力得以影响它们。许多最常见的核粒子都带正电，意味着其必须克服可观的静电斥力以使核反应得以启动。即使目标原子核是电中性原子的一部分，另一个粒子仍须深深穿透电子云并极度靠近带正电的原子核。因此，这类粒子在发生核反应前，必须先被加速至具有高能量，方法如：
另外，由于斥力和两电荷的乘积成正比，重核间的核反应更加罕见，且相较于重核和轻核间的反应，需要更高的启动能量；两轻核间的反应则是最普遍、常见的种类。
另一方面，中子不带有会导致斥力的电荷，且能够以极低的能量启动核反应。事实上，在极低的粒子能量下（比如室温下的热平衡状态），中子的德布罗意物质波波长大大增加，当其能量接近原子核的共振态时，可能大大增加其捕捉截面积。低能量中子的反应性甚至可能比高能量中子高。
值得注意的种类
[编辑]虽然可能发生的核反应种类相当多，有部分型态较为常见，或说，较值得注意。一些例子如下：
- 核聚变反应——两轻核结合形成另一个重核，同时释出额外的粒子（通常为质子或中子）。
- 散裂——原子核受到高能量、高动量粒子撞击，击出少许破片，或将其击碎为多个破片。
- 诱导伽马释放属于只有光子涉入创造与破坏原子核激发态的反应类型。
- α衰变——虽然和自发裂变受相同的潜在动力驱动，两者间还是有所区别。常被引用的观念“‘核反应’仅限于诱发性的过程”其实并不正确。“放射性衰变”是一个无须诱发而能够自发性发生的“核反应”子类别。例如，具有异常高能量的所谓“热α粒子”，其实可能经由诱发三元分裂反应产生，而这是一种诱发性核反应（相对于自发性反应而言）。此种α粒子也可能经由自发性三元分裂反应发生。
核裂变反应——在吸收额外的轻粒子（通常为中子）后，极重的原子核会分裂成二个，甚至三个碎块。这是一种诱发性核反应。自发性核裂变，亦即无需中子辅助即可发生者，通常不被视为一种核反应。至多，其不为一种诱发性核反应。
直接反应
[编辑]一个中能量弹核，在单一快速（10−21秒）事件中，和原子核间转移能量或得失核子。能量及动量转换相对极小。上述对于实验核物理尤其实用，因其反应机制相当简单，使我们能以精确度足够的计算探测靶核结构。
非弹性散射
[编辑]仅有能量及动量被转移。
- (p,p')检测不同核态间的差异。
- (α,α')测量核表面形状与大小。由于撞击原子核的α粒子反应较剧烈，弹性与浅度非弹性α散射对于靶核的形状与大小较敏感，如同光自小黑体散射般。
- (e,e')对于探测内部结构相当有用。相较于质子和中子，电子间的相互作用相对较弱，因此电子较可能到达靶核的中心，且其波函数受途经的原子核扭曲之程度较小。
电荷交换反应
[编辑]能量与电荷能在弹核与靶核间转移。此类反应的例子诸如：
- (p,n)
- (3He,t)
核子转移反应
[编辑]通常，在适当的低能量下，一或多个核子在弹核与靶核间互相转移。这对于研究原子核的外壳层结构相当实用。转移反应可从弹核转移至靶核（汽提反应），或从靶核转移至弹核（拾取反应）。
- (α,n)及(α,p)反应。部分早期核反应研究探讨由α衰变（自靶核撞出一个核子）产生的α粒子。
- (d,n)及(d,p)反应。氘核束撞击靶核，使靶核吸收来自氘核的中子或质子。氘核的结合十分宽松，使得此一反应和质子或中子的捕获反应几乎相同。一个复合原子核可能由此产生，导致更多的中子被缓慢释放。(d,n)反应被用于制造高能中子。
- 奇异交换反应(K, π)已被用于研究超核。
- 1917年由卢瑟福操作的反应 14N(α,p)17O （于1919年发表）通常被视为第一个核蜕变实验。
涉及中子的反应
[编辑]| → T | → 7Li | → 14C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| (n,α) | 6Li + n → T + α | 10B + n → 7Li + α | 17O + n → 14C + α | 21Ne + n → 18O + α | 37Ar + n → 34S + α |
| (n,p) | 3He + n → T + p | 7Be + n → 7Li + p | 14N + n → 14C + p | 22Na + n → 22Ne + p | |
| (n,γ) | 2H + n → T + γ | 13C + n → 14C + γ |
涉及中子的反应对于核反应器与核子武器十分重要。虽然目前最广为人知的中子反应为中子散射、中子捕获与核裂变，对于部分轻核（尤其是质子数与中子数均为奇数者）而言，最可能和热中子发生的反应是转移反应：
某些反应只可能与快中子发生：
- (n,2n)反应产生少量的镤-231及铀-232。此反应于产生相对少量高辐射性锕系元素产物的钍燃料循环中发生。
- 9Be + n → 2α + 2n可以在核子武器的铍中子反射器中产生额外的中子。
- 7Li + n → T + α + n在城堡行动核子试爆的Bravo、Romeo与Yankee实验中产生高于预期的当量。这三次实验成为了美国进行的核子试爆中当量前三高的实验。
复合核反应
[编辑]较低能量的弹核被吸收，或较高能量粒子转移能量给原子核，均能使原子核拥有过高的能量而难以被束缚在一起。在10−19秒的时间尺度下，粒子，尤其中子，将被“煮沸”。也就是说，若无足以使其脱离相吸引力的能量被集中于一个中子，原子核将维持一体。此种准结合的原子核称为复合原子核。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932. 互联网档案馆的存档，存档日期2012-09-02.
- ^ The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars. [2021-12-25]. （原始内容存档于2018-07-10）.
- ^ Tilley, R. J. D. Understanding Solids: The Science of Materials. John Wiley and Sons. 2004: 495 [2021-12-25]. ISBN 0-470-85275-5. （原始内容存档于2022-06-15）.
- ^ Suplee, Curt. Atomic Weights and Isotopic Compositions with Relative Atomic Masses. NIST. 23 August 2009 [2021-12-25]. （原始内容存档于2010-02-06）.
- ^ Shinn, E.; Et., al. Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors. Complexity. 2013, 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. doi:10.1002/cplx.21427.
资料来源
[编辑]- Schmitz, Taylor. Nuclear Physics
. Pergamon Press. 1973. ISBN 0-08-016983-X. - Bertulani, Carlos. Nuclear Physics in a Nutshell. Princeton University Press. 2007. ISBN 978-0-691-12505-3.
