1、成都理工大学核自院成都理工大学核自院主讲教师主讲教师: 田晓峰 核辐射物理基础核辐射物理基础 樊明武等编著樊明武等编著 暨南大学出版社（暨南大学出版社（20102010年）年） 原子核物理（修订版）原子核物理（修订版） 卢希庭等编著卢希庭等编著 原子能出版社（原子能出版社（20002000年）年） 前面讨论的前面讨论的核衰变核衰变是是不稳定的原子核自发发生的转变不稳定的原子核自发发生的转变。转转变的方向变的方向总是总是朝着稳定的原子核的方向发展朝着稳定的原子核的方向发展，最后最后变成稳定的变成稳定的原子核原子核。 稳定的原子核也可以转变为不稳定的原子核稳定的原子核也可以转变为不稳定的原子核，但
2、，但不能自发不能自发产生产生，而是，而是通过核反应形成通过核反应形成。 核反应过程核反应过程对原子核内部结构的扰动对原子核内部结构的扰动以及牵涉到的以及牵涉到的能量变能量变化化一般要一般要比核衰变过程大得多比核衰变过程大得多。 核衰变核衰变：只涉及低激发能级，：只涉及低激发能级，(34)MeV以下以下; 核反应核反应：涉及高激发能，核子的分离能以上，：涉及高激发能，核子的分离能以上，几百几百MeV。 核衰变与核反应的能级区别：核衰变与核反应的能级区别： 核反应是核反应是获得原子能和放射性核的重要途径获得原子能和放射性核的重要途径，对它的研究，对它的研究具有很大的实际意义。具有很大的实际意义。3
3、.1 核反应概述核反应概述3.2 核反应能核反应能3.3 核反应截面与产额核反应截面与产额3.4 核反应的三阶段描述和核反应机制核反应的三阶段描述和核反应机制p 原子核反应：原子核反应： 原子核与原子核原子核与原子核，或者或者原子核与其它粒子原子核与其它粒子（例如中子、（例如中子、光子等）光子等）之间的相互作用所引起的各种变化之间的相互作用所引起的各种变化。 各式各样的核反应是各式各样的核反应是产生不稳定原子核产生不稳定原子核的的最最根本根本途径途径。 核反应产生的现象丰富多彩，如：轻粒子（不比核反应产生的现象丰富多彩，如：轻粒子（不比粒子粒子更重的粒子更重的粒子）引起的核反应就有几千种。因而
4、，核反应可在）引起的核反应就有几千种。因而，核反应可在更广泛的范围内对原子核进行研究。更广泛的范围内对原子核进行研究。 比较比较原子核衰变：原子核衰变： 不稳定核素不稳定核素在没有外界影响的情况在没有外界影响的情况下下自发自发的发生核蜕变的发生核蜕变的过程。的过程。p 原子核反应的表示方式：原子核反应的表示方式：21bbBAa 核反应的一般表达式为：核反应的一般表达式为：BbbbaA,.321,或：或：A 为为靶核靶核；a 为为入射粒子入射粒子；B 为为剩余核剩余核；b1,b2为为出射粒子出射粒子。 对于对于出射粒子出射粒子为为一个一个的情况，表达为：的情况，表达为：BbaA,二体反应二体反应
5、bBAa或：或： 对于对于出射粒子出射粒子为为两个两个的情况，表达为：的情况，表达为：BbbaA21,三体反应三体反应21bbBAa或：或：p 历史上几个著名的核反应：历史上几个著名的核反应：(1) 第一个人工核反应：第一个人工核反应：(2) 第一个在加速器上实现的核反应：第一个在加速器上实现的核反应：(3) 导致发现中子的反应：导致发现中子的反应：CnBe1291932年，查德威克年，查德威克(4) 产生第一个人工放射性核素的反应：产生第一个人工放射性核素的反应：PnAl30271934年，小居里夫妇年，小居里夫妇SiPT30min5 . 2,302/1 Lip71932年，考克拉夫和瓦耳顿
6、年，考克拉夫和瓦耳顿HepLi47),(1919年，卢瑟福年，卢瑟福或或OpN1714),()()(1117814742pHONHe214Po 7.68 MeV 发现中子的核反应（发现中子的核反应（1930年）：年）：)(1269442129CnBeHeCnBe 1932年，年，Chadwick重复实验，比较反冲能：重复实验，比较反冲能： n H、He、N 产生穿透力很强的中性粒子，当时认为是产生穿透力很强的中性粒子，当时认为是 光子。光子。将中性粒子打在石蜡上，产生了将中性粒子打在石蜡上，产生了6MeV的质子的质子。 计算得到，产生计算得到，产生6MeV的质子，需的质子，需60MeV的的 光
7、子，这样光子，这样高能的高能的 光子无法从光子无法从 +9Be的核反应中得到。的核反应中得到。 证明了在证明了在 +9Be核反应中产生的是质量与质子差不多的中性核反应中产生的是质量与质子差不多的中性粒子，称之为中子。粒子，称之为中子。 原子核或其它粒子（如中子、原子核或其它粒子（如中子、光子等）光子等）必须足够接近另必须足够接近另一个原子核一个原子核，一般须，一般须达到核力作用范围之内，即达到核力作用范围之内，即10-12cm。p 发生核反应的条件：发生核反应的条件：p 实现核反应的三个途径：实现核反应的三个途径：(1) 用放射源产生的高速粒子去轰击原子核。用放射源产生的高速粒子去轰击原子核。
8、 如：如：1919年卢瑟福用年卢瑟福用214Po放出的放出的粒子去轰击氮原子核：粒子去轰击氮原子核：)()(1117814742pHONHe 用放射源提供入射粒子来研用放射源提供入射粒子来研究核反应的特点：简单；入射粒究核反应的特点：简单；入射粒子种类很少，强度不大，能量不子种类很少，强度不大，能量不高且不连续可调。（现很少用）高且不连续可调。（现很少用）(2) 利用宇宙射线来进行核反应。利用宇宙射线来进行核反应。 宇宙射线是指来自宇宙空间的高能粒子。宇宙射线是指来自宇宙空间的高能粒子。 特点：特点： 粒子能量高，最高可达粒子能量高，最高可达1021eV（人工办法难实现）；（人工办法难实现）；
9、 粒子的强度很弱，能观测到核反应的机会极小。粒子的强度很弱，能观测到核反应的机会极小。(3) 利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应。利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应。 Lip7HepLi47),(如：如：即即 特点：特点：粒子种类多，能量范围大，且连续可调。粒子种类多，能量范围大，且连续可调。能量达几百能量达几百MeVGeV/A (单核子能量单核子能量)，放射性束流技术。，放射性束流技术。 散射前后系统的散射前后系统的总动能相等总动能相等，原子核的内部能量状态，原子核的内部能量状态不不发生变化发生变化。一般表示式为：。一般表示式为：CppC1212),( 弹性散射：弹性散射：如：质子被
10、碳核散射，散射后的碳核仍处于基态：如：质子被碳核散射，散射后的碳核仍处于基态：弹性散射弹性散射非弹性散射非弹性散射核散射核散射：出射粒子与入射粒子相同的核反应。：出射粒子与入射粒子相同的核反应。 核转变核转变：出射粒子与入射粒子不同的反应。：出射粒子与入射粒子不同的反应。(剩余核与靶核构成相同剩余核与靶核构成相同)(剩余核不同于靶核剩余核不同于靶核)aAaAAaaA),(或或BbbbaA,.321, 散射前后系统的散射前后系统的总动能不相等总动能不相等，原子核的，原子核的内部能量状态内部能量状态发生变化发生变化。一般表示式为：。一般表示式为： 非弹性散射：非弹性散射：*1212),(CppC*
11、),(AaaAaAaA或（剩余核处于激发态）（剩余核处于激发态）如：质子被碳核散射，散射后的碳核处于激发态：如：质子被碳核散射，散射后的碳核处于激发态： 核转变：核转变：当出射粒子为当出射粒子为 射线时，称这类核反应为射线时，称这类核反应为辐射俘获辐射俘获。 出射粒子与入射粒子不同的反应。这种情况下，出射粒子与入射粒子不同的反应。这种情况下，剩余核剩余核不同于靶核不同于靶核，也就是一般意义上的核反应：，也就是一般意义上的核反应：BbaA),(PnAl3027),(eSiP3030如：如：ConCo6059),(HgpAu198197),(如：如：入射粒子是中子的核反应。入射粒子是中子的核反应。
12、中子反应的特点：中子反应的特点： 中子核反应：中子核反应： 中子不带电，与核作用时，不存在库仑位垒，中子不带电，与核作用时，不存在库仑位垒，能量很低能量很低的中子就能引起核反应。的中子就能引起核反应。根据根据出射粒子出射粒子的不同，中子反应有：的不同，中子反应有：),(nn).2 ,();,();,(nnnpn),(nn),(n中子弹性散射：中子弹性散射： ；中子非弹性散射：；中子非弹性散射：中子辐射俘获：中子辐射俘获： ；入射粒子是带电粒子的核反应。入射粒子是带电粒子的核反应。 带电粒子核反应：带电粒子核反应：PuNpUnU239239239238),(如：如：BbbbaA,.321,质子引
13、起的核反应，如：质子引起的核反应，如：等；),(),(),(pnppp氘核引起的核反应，如：氘核引起的核反应，如：等；),(),(dpd 粒子引起的核反应，如：粒子引起的核反应，如：等；),(),(pn重离重离子引起的核反应，如：子引起的核反应，如：等；)3,),(4 ,(1612nOnC 光核反应：光核反应：由由 光子光子入射引起的核反应。入射引起的核反应。最常见的是：最常见的是： 反应。如：反应。如： 和和 。),(nBenBe89),(HnD1),(此外，还有此外，还有 等。等。)2 ,(),2 ,(),(pnnp包括：包括：BbbbaA,.321,MdnpNeU256101221023
14、892)3,(如，重离子核反应：如，重离子核反应：Md(钔钔)一般的原子核物理一般的原子核物理只涉及低能核反应只涉及低能核反应。（1）低能核反应：）低能核反应： 入射粒子单核子能量入射粒子单核子能量E/A 30 MeV；（2）中能核反应：）中能核反应：30 MeV E/A 1000 MeV。（1）轻核反应：）轻核反应： A 30。（2）中量核反应：）中量核反应：30 A 90。BbbbaA,.321,BbbbaA,.321, 对一定的入射粒子和靶核，能发生的核反应过程往往不止对一定的入射粒子和靶核，能发生的核反应过程往往不止一种，一种，把每一种把每一种可能的反应过程可能的反应过程称为一个称为一
15、个反应道反应道。反应前的过程称为反应前的过程称为入射道入射道。反应后的过程称为反应后的过程称为出射道出射道。一个入射道可以对应几个出射道：一个入射道可以对应几个出射道： HeBenLipLid4776一个出射道也可以对应几个入射道：一个出射道也可以对应几个入射道： HepLipLidLiLiH4170*7662入射道入射道出射道出射道 随入射粒子的能量变化而不同；随入射粒子的能量变化而不同； 对一定的入射粒子和靶核，与核反应机制、核结构有关；对一定的入射粒子和靶核，与核反应机制、核结构有关； 受守恒条件约束。受守恒条件约束。 产生各个反应道的概率不同，影响因素为：产生各个反应道的概率不同，影响
16、因素为： 大量实验表明，核反应过程遵守以下几个大量实验表明，核反应过程遵守以下几个守恒定律守恒定律（以（以 A(a,b)B 反应为例来说明）：反应为例来说明）：1、 电荷守恒：电荷守恒：反应前后反应前后的的总电荷数不变总电荷数不变。即：即：bBAaZZZZ A(a,b)B 例：例：OpN178147),(核反应前的总电荷数：核反应前的总电荷数：7+2=9；核反应后的总电荷数：核反应后的总电荷数：8+1=9；2、 质量数守恒：质量数守恒：反应前后反应前后的的总质量数不变总质量数不变。 例：例：OpN178147),(核反应前的总质量数：核反应前的总质量数：14+4=18；核反应后的总质量数：核反
17、应后的总质量数：17+1=18；3、 能量守恒：能量守恒：反应前后反应前后体系的体系的总能量总能量（静止能量和动能（静止能量和动能之和）之和）不变不变。bBAaAAAA 即：即：A(a,b)B即：即：)()()()(22bBbBAaAaEEcmmEEcmmA(a,b)B 例：例：OpN178147),(若靶核若靶核14N静止，则反应前的总动量为静止，则反应前的总动量为粒子的动量；粒子的动量； 核反应后的总动量：质子与核反应后的总动量：质子与17O核动量的核动量的矢量和矢量和必等于必等于粒子的动量。粒子的动量。4、 动量守恒：动量守恒：反应前后反应前后体系的体系的总动量不变总动量不变。5、 角动
18、量守恒：角动量守恒：反应前后反应前后体系的体系的总角动量不变总角动量不变。fiJJ即：即：6、宇称守恒：、宇称守恒：反应前后反应前后体系的体系的宇称不变宇称不变。fi即：即：bBAaPPPP即：即：A(a,b)BbBAa对核反应：对核反应：静止质量：静止质量：amAmBmbm相应动能：相应动能：aEAEBEbE由能量守恒：由能量守恒：)()()()(22bBbBAaAaEEcmmEEcmm 核反应过程中释放出的能量核反应过程中释放出的能量，称为反应能，用符号称为反应能，用符号Q表示。表示。即：反应后的动能减去反应前的动能。即：反应后的动能减去反应前的动能。p 定义：定义：)()(AabBEEE
19、EQ22)()(cmmcmmBbAa222mccMMcMMBbAa 式中：采用原子质量式中：采用原子质量Mi代替核质量代替核质量mi(i=1,A,b,B)。因核的总电荷在反应。因核的总电荷在反应前后不变，原子中的电子总数不变。原子质量相减过程中，电子质量相消。前后不变，原子中的电子总数不变。原子质量相减过程中，电子质量相消。而反应前后电子在原子中的结合能很小，可忽略。而反应前后电子在原子中的结合能很小，可忽略。 可见：可见：Q值值既可以既可以通过实验测量反应前后各粒子的动能求通过实验测量反应前后各粒子的动能求得得，也可，也可由已知的各粒子的原子质量算出由已知的各粒子的原子质量算出。p 由反应前
20、后的原子质量求由反应前后的原子质量求Q值：值：Q 0 为放能反应；为放能反应；MeVmQ5 .931)0(MeV193. 15 .931001281. 0吸能反应uuum001281. 0006958.18005677.18222mccMMcMMBbAa)()(AabBEEEEQ例：例：OpN178147),(对于核反应对于核反应A(a,b)B 讨论通过实验测量反应中有关粒子的动能来求讨论通过实验测量反应中有关粒子的动能来求Q值。值。 反映反映核反应能核反应能 Q 与与反应中有关反应中有关粒子粒子(入射、出射粒子入射、出射粒子)的动能的动能之间关系之间关系的的方程方程。p Q方程：方程： 由由
21、 Q 方程可以方程可以根据根据实验测量的实验测量的入射、出射粒子入射、出射粒子的动能的动能 求得求得 核反应能核反应能 Q。p Q方程有什么用？方程有什么用？p 有关有关Q方程的推导：方程的推导：cos2222babaBPPPPPmEP22在非相对论情况下：在非相对论情况下：mvP 有：有：cos42222bababbaaBBEEmmEmEmEmmPmmvmvE2)(2121222BbaPPP由余弦定律得：由余弦定律得：A(a,b)B代入余弦定律表达式中，代入余弦定律表达式中，cos2bbababBbaBaBmEEmmEmmEmmE 由该公式可见：由该公式可见： 在在入射粒子动能入射粒子动能
22、Ea 已知已知的情况下，只要的情况下，只要测量测量 角方向角方向的的出出射粒子的动能射粒子的动能Eb，就可以，就可以求得求得 核反应能核反应能Q。若若 90，则，则 Q 方程为：方程为：aBabBbEAAEAAQ110AE靶核通常是静止的，即：靶核通常是静止的，即：用用A之比代替之比代替m之比，不影响精确度之比，不影响精确度 Q方程：方程：cos211BbabaaBabBbAEEAAEAAEAAQ（注注：在：在Q方程中，方程中，剩余核剩余核的动能的动能EB被消掉，未出现）被消掉，未出现）cos211BbabaaBabBbmEEmmEmmEmmQQ方程：方程：代入：代入：)()(AabBEEEE
23、QA(a,b)B Q方程的本质方程的本质反映了反映了反应能反应能Q与与出射粒子方向出射粒子方向和和出射粒子出射粒子能量能量之间的关系。之间的关系。可用于求出反应能可用于求出反应能 Q。 而反应能而反应能 Q 等于等于反应前后系统的静止质量差反应前后系统的静止质量差。 因此：因此：Q方程方程可以用于可以用于求求与静止质量有关的量与静止质量有关的量、求不同求不同角度出射粒子能量角度出射粒子能量等。等。22cmmmmmcQbBaAcos211BbabaaBabBbAEEAAEAAEAAQA(a,b)B0AE靶核通常是静止的，靶核通常是静止的，即：即：已知已知 ，测出，测出 方向的方向的 ，利用，利用
24、Q方程就可以求出方程就可以求出 Q 。aEbE22cmmmmmcQbBaA由公式：由公式：可以已知三个质量求第四个质量。可以已知三个质量求第四个质量。2、 Q方程可用于求方程可用于求剩余核的激发态能量剩余核的激发态能量 当反应产物当反应产物(特别是剩余核特别是剩余核)处于激发态时，反应能处于激发态时，反应能Q的值的值用用Q表示，通常称它为表示，通常称它为实验实验Q值值。2*cEmmBB 设剩余核的激发能为设剩余核的激发能为 ，则激发态剩余核的静止质量，则激发态剩余核的静止质量为：为：*E1、 Q方程可用于求核素的质量方程可用于求核素的质量A(a,b)B*22*EcmcmBB于是：于是：2*2)
25、(cmmmmmcQbBaA*2)(EcmmmmbBaA*EQ 物理意义物理意义：由于剩余核处于激发态，其能量比基态时：由于剩余核处于激发态，其能量比基态时多了一部分激发能多了一部分激发能 ，这部分能量在核反应中没有转化为，这部分能量在核反应中没有转化为出射粒子和剩余核的动能。因此，反应过程中释放出的能出射粒子和剩余核的动能。因此，反应过程中释放出的能量量Q就要比剩余核处于基态时的就要比剩余核处于基态时的Q少了一个少了一个 。*E*E 结论结论：测量出测量出Q和和Q，可以求出激发能，可以求出激发能。这是通过核。这是通过核反应获得原子核激发能数据的重要方法。反应获得原子核激发能数据的重要方法。QQ
26、E*(Q入射粒子在靶中的射程入射粒子在靶中的射程R(E0) 根据根据X=0时，时，E=E0；x=R(E0)时，时，E=0，将被积量厚度，将被积量厚度x转化转化为入射粒子能量为入射粒子能量E，则：，则：交换积分交换积分上下限上下限因此在厚靶条件下，反应产额的表达式为：因此在厚靶条件下，反应产额的表达式为：00)/()(EdEdxdEENY式中：式中：-(dE/dx)为靶物质对入射为靶物质对入射带电粒子的阻止本领。带电粒子的阻止本领。 若激发函数若激发函数(E)已知，就可计算出带电粒子在厚靶中的已知，就可计算出带电粒子在厚靶中的反应产额。反应产额。p 平均截面平均截面 ： 反应产额与平均截面的关系
27、：反应产额与平均截面的关系： 定义：定义：RdxEER0)()()()()(00ENRRdxENRdxENYRR带电粒子在厚靶中带电粒子在厚靶中的产额与的产额与射程射程和和平平均截面均截面成正比。成正比。p 有量纲的反应产额有量纲的反应产额 ： 以上关于反应产额以上关于反应产额Y的定义，是一个无量纲的物理量。的定义，是一个无量纲的物理量。 实际应用中，实际应用中，对于带电粒子的核反应对于带电粒子的核反应，常采用，常采用有量纲的有量纲的反应产额反应产额Y，它定义为：，它定义为：入射粒子数的核反应数入射粒子在靶体上引起0INY入射粒子的电流强度单位时间的核反应数0eINNeNYYee 式中，式中，
28、Ne为入射粒子带的电荷数，为入射粒子带的电荷数，e是电子电量的绝对值。是电子电量的绝对值。 Y表示单位电流强度的入射粒子在靶上单位时间内产生的表示单位电流强度的入射粒子在靶上单位时间内产生的核反应数，单位是：核反应数，单位是： 或或 。secA11C1 Y与与Y的定义无本质区别，只是所用的单位不同而已。的定义无本质区别，只是所用的单位不同而已。 核反应过程和核反应机制属于核反应的动力学问题，对核反应过程和核反应机制属于核反应的动力学问题，对核反应机制的研究用模型理论来解决。核反应机制的研究用模型理论来解决。 由于核反应机制的复杂性，提出了众多的模型理论，各由于核反应机制的复杂性，提出了众多的模
29、型理论，各有其成功解释一些物理想象的方面，又有一定的局限性。有其成功解释一些物理想象的方面，又有一定的局限性。 本节对核反应过程和核反应机制进行概述。本节对核反应过程和核反应机制进行概述。 在核反应机制理论发展的基础上，外斯柯夫在核反应机制理论发展的基础上，外斯柯夫(V.F.Weisskopf)于于1957年对核反应过程提出了三阶段描述，年对核反应过程提出了三阶段描述，它描述了核反应过程的粗糙图像，如下图所示：它描述了核反应过程的粗糙图像，如下图所示： 根据核反应的时间顺序，根据核反应的时间顺序，将反应分为三个阶段：将反应分为三个阶段：1、独立粒子阶段、独立粒子阶段独立粒子阶段独立粒子阶段形状
30、弹性散射形状弹性散射入射粒子入射粒子吸收吸收 入射粒子接近到靶核核入射粒子接近到靶核核场作用范围内，犹如光波射场作用范围内，犹如光波射到一个半透明的玻璃球一样，到一个半透明的玻璃球一样，可能发生两种情况：可能发生两种情况： 这两种过程广义上都叫做核反应。描述这一阶段的核反应这两种过程广义上都叫做核反应。描述这一阶段的核反应模型称为光学模型。模型称为光学模型。 第一种情况第一种情况核反应核反应：粒子进入靶核，：粒子进入靶核，被靶核吸收，好像玻璃吸收了光波，从而被靶核吸收，好像玻璃吸收了光波，从而引起核反应；引起核反应； 在这一阶段中，入射粒子在核力场中运动，保持相对独在这一阶段中，入射粒子在核力
31、场中运动，保持相对独立性，所以通常叫做立性，所以通常叫做“独立粒子阶段独立粒子阶段”。 第二种情况第二种情况弹性散射弹性散射：粒子被靶核弹：粒子被靶核弹出来，好像光波遭到了玻璃球的反射和折出来，好像光波遭到了玻璃球的反射和折射，形成弹性散射。在独立粒子阶段所形射，形成弹性散射。在独立粒子阶段所形成的弹性散射称为形状弹性散射。成的弹性散射称为形状弹性散射。作用时间：作用时间： 10 2010 22sec。 直接作用：直接作用： 表面直接作用；表面直接作用； 体内直接作用；体内直接作用； 多次碰撞；多次碰撞； 集体激发。集体激发。表面直接作用表面直接作用体内直接作用体内直接作用多次碰撞多次碰撞集体
32、激发集体激发 形成复合核：形成复合核： 入射粒子停留在核内，与靶核形成复合核；入射粒子停留在核内，与靶核形成复合核； 作用时间：作用时间：10 15sec。复合核复合核(记忆消失记忆消失)独立粒子阶段独立粒子阶段入射粒子入射粒子形状弹性散射形状弹性散射吸收吸收2、复合系统阶段、复合系统阶段 粒子被靶核吸收，发生能量交换，入射粒子和靶核形成粒子被靶核吸收，发生能量交换，入射粒子和靶核形成复合体系。复合体系。 入射粒子与靶核发生能量交换方式主要有以下两种：入射粒子与靶核发生能量交换方式主要有以下两种：p 各种直接作用方式的含义：各种直接作用方式的含义： 表面直接作用：表面直接作用： 入射粒子把能量
33、交给靶核表面的一个入射粒子把能量交给靶核表面的一个或几个核子使反应直接推向第三阶段。或几个核子使反应直接推向第三阶段。 体内直接作用：体内直接作用： 入射粒子把能量交给靶核体内的一个入射粒子把能量交给靶核体内的一个或几个核子使反应直接推向第三阶段。或几个核子使反应直接推向第三阶段。 多次碰撞：多次碰撞： 入射粒子在核内碰撞多次再发射出来。入射粒子在核内碰撞多次再发射出来。 集体激发：集体激发： 入射粒子把部分能量交给靶核后飞出，这时靶核产生集体激入射粒子把部分能量交给靶核后飞出，这时靶核产生集体激发，引起核的集体转动、振动等。发，引起核的集体转动、振动等。 在这些过程中入射粒子在这些过程中入射
34、粒子在不同程度上保持原有特性在不同程度上保持原有特性，“记记忆忆”并未消失。并未消失。 p 复合核过程的含义：复合核过程的含义： 入射粒子与靶核经过很多次碰撞，不断损失能量，最后停入射粒子与靶核经过很多次碰撞，不断损失能量，最后停留在核内，和靶核融为一体，形成一个中间过程的原子核，称留在核内，和靶核融为一体，形成一个中间过程的原子核，称为复合核。即为复合核。即“忘记忘记”了复合核是怎样形成的。了复合核是怎样形成的。 因此，可认为复合核因此，可认为复合核已已“忘记忘记”了原来的入射粒子了原来的入射粒子，即复合，即复合核形成后就核形成后就“失忆失忆”了，忘记了它的形成过程。了，忘记了它的形成过程。
35、p 平衡前发射：平衡前发射： 除了直接过程和复合核过程外，还存在介于两者之间的过除了直接过程和复合核过程外，还存在介于两者之间的过程，例如：平衡前发射。程，例如：平衡前发射。 入射粒子与靶核多次碰撞，达到平衡，在形成复合核之前入射粒子与靶核多次碰撞，达到平衡，在形成复合核之前就发射粒子。就发射粒子。 含义：含义：复合核衰变复合核衰变复合核弹性散射复合核弹性散射复合核复合核(记忆消失记忆消失)独立粒子阶段独立粒子阶段入射粒子入射粒子形状弹性散射形状弹性散射吸收吸收复合系统阶段复合系统阶段表面直接作用表面直接作用体内直接作用体内直接作用多次碰撞多次碰撞集体激发集体激发3、最后阶段、最后阶段最后阶段
36、最后阶段 在这阶段，复合系统在这阶段，复合系统分解成出射粒子和剩余核分解成出射粒子和剩余核。p 复合核弹性散射：复合核弹性散射： 分解出的粒子（出射粒分解出的粒子（出射粒子）与入射粒子相同；子）与入射粒子相同； 同时剩余核处于基态，同时剩余核处于基态，即弹性散射。即弹性散射。p 非弹性散射：非弹性散射： 出射粒子与入射粒子相同；出射粒子与入射粒子相同； 同时剩余核处于激发。同时剩余核处于激发。p 核转变（一般意义上的核反应）：核转变（一般意义上的核反应）：出射粒子与入射粒子不同；出射粒子与入射粒子不同；剩余核不同于靶核。剩余核不同于靶核。 可见：核反应主要通过复合核和直接作用这两种机制进可见：
37、核反应主要通过复合核和直接作用这两种机制进行行（有些反应也存在介于两种机制之间的过程，如平衡前发射）（有些反应也存在介于两种机制之间的过程，如平衡前发射）。 复合核过程和直接过程往往同时并存；复合核过程和直接过程往往同时并存；p 对一个具体反应：对一个具体反应： 对不同的入射粒子和靶核，不同的入射粒子能量，复合核对不同的入射粒子和靶核，不同的入射粒子能量，复合核截面和直接作用截面的相对大小不同。截面和直接作用截面的相对大小不同。p 两种机制的不同特点：两种机制的不同特点： 直接过程的时间：直接过程的时间：(10-2010-22)s，与，与入射粒子直接穿过靶核的时间相当入射粒子直接穿过靶核的时间
38、相当; 作用时间：作用时间： 复合核过程的时间：复合核过程的时间：10-15s;复合核过程通常比复合核过程通常比直接过程的时间长直接过程的时间长 直接作用直接作用：出射粒子具有一系列单值能量，角分布前倾或：出射粒子具有一系列单值能量，角分布前倾或后倾后倾（不具有各向同性和（不具有各向同性和90 对称性）对称性）； 出射粒子能谱和角分布：出射粒子能谱和角分布： 形成复合核形成复合核：出射粒子能谱接近麦克斯韦分布，角分布为：出射粒子能谱接近麦克斯韦分布，角分布为各向同性或各向同性或90 对称。对称。 在实验中利用以上特点来判断不同反应机制的类型，在实验中利用以上特点来判断不同反应机制的类型，以及估
39、计各种反应机制所占的比例。以及估计各种反应机制所占的比例。apott 总总截截面面形状弹形状弹性散射性散射截面截面吸收吸收截面截面对反应的对反应的第一阶段第一阶段(独立粒子阶段独立粒子阶段)： 对反应的对反应的第二阶段第二阶段(复合系统阶段复合系统阶段)： CNDa 吸收吸收截面截面直接直接反应反应截面截面复合核形复合核形成截面成截面 综合考虑三个阶段的核反应综合考虑三个阶段的核反应，可以将总反应截面，可以将总反应截面 分为弹性散射截面分为弹性散射截面 和去弹性散射截面和去弹性散射截面 两部分。两部分。t SC r 弹性散射截面弹性散射截面sc respotSC pot res rSCt各种反
40、应截面的关系图各种反应截面的关系图apottrespotSCrresarSCtrrespott已知已知 ，测出，测出 方向的方向的 ，利用，利用Q方程就可以求出方程就可以求出 Q 。aEbE可以已知三个质量求第四个质量。可以已知三个质量求第四个质量。 Q方程可用于求核素的质量方程可用于求核素的质量A(a,b)B22cmmmmmcQbBaA由公式：由公式： 当剩余核处于激发态，反应过程中释放出的能量当剩余核处于激发态，反应过程中释放出的能量Q就要比剩就要比剩余核处于基态时的余核处于基态时的Q少了一个少了一个 。Q与与Q的关系为：的关系为：*EQQE*cos211BbabaaBabBbAEEAAE
41、AAEAAQ Q方程可用于求剩余核的激发态能量方程可用于求剩余核的激发态能量*E 因此，对于剩余核处于激发态时的因此，对于剩余核处于激发态时的Q值，同样满足值，同样满足Q方程。方程。只要测量出只要测量出Q和和Q，可以求出激发能。，可以求出激发能。2*cmEBBBmm *但通常但通常 ，所以有，所以有 。 Q方程同样适用于方程同样适用于Q ，需要需要 mBmB* ，由于，由于*22*EcmcmBB 如果入射粒子的强度，即如果入射粒子的强度，即单位时间的入射粒子数为单位时间的入射粒子数为I，则，则单单位时间内入射粒子与靶核发生核反应的数目位时间内入射粒子与靶核发生核反应的数目N应满足：应满足：SI
42、NN N与与I和和NS成正比，即：成正比，即：。令其比例系数为。令其比例系数为，则：，则：SINN （称为反应截面或有效截面）称为反应截面或有效截面）单位面积的靶核数数单位时间内的入射粒子应数单位时间内发生的核反sINNp 核反应截面的核反应截面的定义定义：p 核反应截面的核反应截面的物理意义物理意义： 一个粒子入射到单位面积内只含有一个靶核的靶上所发生一个粒子入射到单位面积内只含有一个靶核的靶上所发生反应的概率，即，表示反应的概率，即，表示一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核发生反应的概率发生反应的概率。p 核反应截面的核反应截面的量纲和常用单位量纲和常用单位
43、： 的量纲为面积。常用单位的量纲为面积。常用单位10-24cm2，称为，称为“靶恩靶恩”，简称，简称“靶靶”，记作，记作barn或或b是非法定计量单位（是非法定计量单位（的国家法定计量单的国家法定计量单位是位是m2）。）。p 核反应截面与原子核的几何截面的区别：核反应截面与原子核的几何截面的区别： 核反应截面是核反应截面是表示发生核反应的概率，而不是原子核几何面表示发生核反应的概率，而不是原子核几何面积的量度积的量度。两者是完全不同的概念。两者是完全不同的概念。p 核反应产额的含义核反应产额的含义 ： 入射粒子在靶体上引起的入射粒子在靶体上引起的核反应数核反应数与与入射粒子数入射粒子数之比之比
44、，称为，称为核反应的产额核反应的产额（该定义是无量纲的物理量）（该定义是无量纲的物理量）。入射粒子数的核反应数入射粒子在靶体上引起0INY核反应产额与反应截面、靶的厚度及靶的组成有关。核反应产额与反应截面、靶的厚度及靶的组成有关。对单能中子的反应产额而言，在薄靶条件下，反应产额的表达式为对单能中子的反应产额而言，在薄靶条件下，反应产额的表达式为可见，薄靶的产额与可见，薄靶的产额与靶厚靶厚、反应截面反应截面成正比。成正比。DNY1Y在厚靶条件下，反应产额：在厚靶条件下，反应产额：与与靶厚靶厚、反应截面反应截面成正比成正比而带电粒子在厚靶中的产额与而带电粒子在厚靶中的产额与射程射程和和平均截面平均截面成正比。成正比。Ab=4;AB=9;Aa=2;Ea=1.5MeV;Eb=E = 6.37MeV，代入，代入Q方程：方程：若若 90，则，则 Q 方程为：方程为：aBabBbEAAEAAQ11MeVEAAEAAQaBabBb03. 85 . 1)921 (37. 6)941 (11
