5. Типы ядерных реакций
Ядерная реакция – это процесс столкновения атомного
ядра с частицей, другим ядром или взаимодействия с
квантом электромагнитного излучения.
•
•
•
•
•
•
Трансмутация
Неупругое рассеяние
Упругое рассеяние
Термоядерные реакции
Деление под действием нейтронов
…
5
6. Сечение ядерной реакции
Сечение – это вероятность того, что система двух
взаимодействующих частиц перейдет в результате
взаимодействия из одного состояния в другое,
«эффективная площадь» ядра
N= N0n
N0 – число частиц прошедших через единичную площадь, n –
число ядер на этой площади, N – число взаимодействий
1 барн=10-24см2
Один барн примерно соответствует площади поперечного
сечения ядра средних размеров
6
7. Нуклидная карта
спонтанное деление
ЭЗ, +
гипотетические ядра
линия стабильности
Z
-
N
Ru 94 Ru 95 Ru 96 Ru 97 Ru 98 Ru 99 Ru 100 Ru 101 Ru 102 Ru 103 Ru 104 Ru 105 Ru 106 Ru 107
Tc 93
Tc 94
Tc 95
Tc 96
Tc 97
Tc 98
Tc 99 Tc 100 Tc 101 Tc 102 Tc 103
Mo 88 Mo 89 Mo 90 Mo 91 Mo 92 Mo 93 Mo 94 Mo 95 Mo 96 Mo 97 Mo 98 Mo 99 Mo 100 Mo 101 Mo 102 Mo 103
Nb 90 Nb 91 Nb 92 Nb 93 Nb 94 Nb 95 Nb 96 Nb 97
7
8. Ядерные превращения
Радиоактивный распад
Ядерные реакции
-
,2n
,n
n
Z
,3n
p,n
p,
d,n
,np
+
ЭЗ
,2n
,n
n,2n
,pn
d,
N
n,
d,p
,p
n,pn
n,p
n,
спонтанное деление
ЭЗ, +
гипотетические ядра
линия стабильности
Z
-
N
8
9. Энергетика ядерных реакций
• Величина Q (МэВ) – энергетический эффект
реакции: Q=-931,5∆M, если масса уменьшается,
энергия выделяется, Q>0, то есть принят знак
величины, противоположный энергии химических
реакций
• Эндотермическая реакция протекает только в том
случае, если налетающая частица имеет энергию
больше некоторой минимальной величины,
называемой порогом реакции. Порог несколько
больше величины Q
M1 M 2
Etr Q
M2
9
11. Механизм реакции
• при низких и средних энергиях налетающих частиц (< 100 МэВ)
через образование составного ядра
• Время жизни составного ядра оценивается в 10-14 с, >>, чем
время, нужное нуклону, чтобы пройти расстояние, равное
диаметру ядра (10-20- 10-23 с)
• реакции, идущие через образование составного ядра, можно
подразделить на резонансные и нерезонансные
• С ростом энергии возбуждения составного ядра энергетические
уровни сливаются и квантовые эффекты не проявляются
• Захват нейтронов низких энергий (эпитепловых) носит
выраженный резонансный характер
• Захвату ядрами медленных положительно заряженных частиц
препятствует кулоновский барьер
11
12. Резонансные процессы
10B+α→[14N]*→13C+p
14
Eexc ( N), МэВ
14,91
14,72
12,5
p
p
13,24
13,16
12,69
p
p3
p1 p2
11,61
p0
10
B+
7,55
13
C+p
0
14
N
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
3
d /dW , мбарн/стерадиан
13,76
13,0
4,67
2
2,19
1
4,40
2,30
1,51
3,02
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Ekin ( ), кэВ
12
13. Нерезонансные процессы
• Испарительная модель: энергия, переданная
ядру, успевает перераспределиться между
нуклонами, и если энергия какого-либо
нуклона превысит энергию связи, он покидает
ядро
• Если ядро по-прежнему имеет избыток
энергии, вылетает вторая частица и т.д.
• Остаточная энергия возбуждения излучается
в виде γ-кванта
13
14. Различные каналы реакции
69
800
Ge+n
, мбарн
Ge+2n
Ga+p
Ge+3n
Ge*
600
400
200
67
70
Ge
Ge
67
Ge
68
Ga
67
Ga
65
Zn
68
68
69
69
0
10
20
68
Ga+p+n
66
Zn+
Ga+p+2n
50
800
, мбарн
Ga+ +n
40
a)
67
68
30
Энергия возбуждения, МэВ
600
400
200
0
Соотношение продуктов реакции
определяется энергией возбуждения
составного ядра и не зависит от того,
из каких компонентов оно получено
10
20
30
40
50
Энергия возбуждения, МэВ
б)
14
15. Реакции под действием
заряженных частиц (функция
возбуждения)
Потенциальная энергия
E
Eпор
E
Экзотермический процесс Эндотермический процесс
r
15
16. Реакции под действием
заряженных частиц (функция
возбуждения)
(p,2n) (p,3n)
100 0
(p,n)
Сечение, мбарн
(p,4n)
(p,5n)
(p,6n)
(p,7n)
10 0
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Энергия протонов, МэВ
16
17. Реакции под действием
нейтронов
• Преобладающим процессом в области низких
энергий нейтронов является радиационный захват
(n,γ)
• сечение растет с уменьшением энергии как 1/v (нет
кулоновского барьера)
• в области 0,5 эВ – 1000 эВ, наблюдаются максимумы
сечения, обусловленные резонансными эффектами
• Сечения радиационного захвата тепловых и
эпитепловых нейтронов могут быть очень большими,
вплоть до 104-106 барн.
• Сечения захвата быстрых (~ 1 МэВ) нейтронов часто
близки к геометрическому сечению ядра
17
18. Реакции под действием
нейтронов
Сечение, барн
1,0E+05
1,0E+03
1,0E+01
1,0E-01
1,0E-03
1,0E-05
1,0E-03
1,0E-01
1,0E+01
1,0E+03
1,0E+05
1,0E+07
1,0E+09
Энергия нейтрона, эВ
18
21. Требования к радионуклидам для
диагностики
• Подходящее гамма-излучение (100-250 кэВ)
• Короткий период полураспада
• Минимальная доза за счет других видов
излучения, отсутствие жестких гамма-линий
• Для ПЭТ: высокий выход и низкая энергия
позитронов при распаде
• Самые популярные: 99mTc, 123I, 111In 201Tl, 18F
21
26. Радионуклидная терапия
F. Buchegger, F. Perillo-Adamer, Y. M. Dupertuis, A. B. Delaloye
Eur. J. Nucl. Med. 33, 2006, 1352
A. I. Kassis.
Int. J. Radiat. Biol., 2004, 80, 789–803
26
