核反应的原理是什么

【专家解说】：核反应是指入射粒子(或原子核)与原子核(称靶核)碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程。反应前后的能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称都必须守恒。 核反应是宇宙中早已普遍存在的极为重要的自然现象。现今存在的化学元素除氢以外都是通过天然核反应合成的，在恒星上发生的核反应是恒星辐射出巨大能量的源泉。 此外，宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应。自然界的碳14大部分是宇宙射线中的中子轰击氮14产生的。1919年英国的E.卢瑟福用天然放射性物质的α粒子轰击氮，首次用人工实现了核反应。30年代初加速器的出现和40年代初反应堆的建成，为研究核反应提供了强有力的工具。目前已能将质子加速到5×105兆电子伏，将铀原子核加速到约9×104兆电子伏，并能获得介子束。高分辨率半导体探测器的使用，大大提高了测量核辐射能量的精度。核电子学和计算机技术的发展，从根本上改善了数据的获取和处理能力。在过去半个多世纪里，研究过的核反应数以千计，制备出了自然界不存在的放射性核素约2000种，发现了300余种基本粒子，获得了有关核素性质、核转变规律、核结构、基本粒子以及自然界四种相互作用的规律和相互联系的大量知识。 定义1 我们来分析一下“原文”中对“核反应”的定义:“原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应”.这个定义明显是有一定局限性的,实际上描述的是另外一种原子核反应类型--原子核的人工转变(包括重核裂变等)。 定义2 像铀、钍和镭这些放射性元素,原子核内的质子和中子可以连续地由高能排列变成低能排列,这就称为“核反应”,释放出来的多余能量叫做“原子核能[1]”。 定义3 当用一定能量的人射核子去轰击原子核时,由于两者之间的相互作用而引起原子核的变化,这个过程称为核反应.历史上第一个人工核反应是1919年卢瑟福用天然放射源(钋Po)产生的7 定义4 所谓核反应,是指原子核受一个粒子撞击而放出一个或几个粒子的过程[1].在对其研究的过程中,实验工作者常采用静止的实验室坐标系,进行数据的实际测量。 定义5 原子核反应及方程式原子核发生转变的过程称为核反应.书写核反应方程的依据是反应前、后电荷数不变,质量数也不变。 原理 在核反应中，用于轰击原子核的粒子称为入射粒子或轰击粒子，被轰击的原子核称为靶核，核反应发射的粒子称为出射粒子，反应生成的原子核称为剩余核或产物核。入射粒子a轰击靶核A，发射出射粒子b并生成剩余核B的核反应可用以下方程式表示: A+a→B+b 或简写为: A(a,b)B 若a、b为同种粒子，则为散射，并根据剩余核处于基态还是激发态而分为弹性散射和非弹性散射，用A(a,a)A和A(a,a′)A*表示，给定的入射粒子和靶核能发生的核反应往往不止一种。每一种核反应称为一个反应道。反应道由入射道和出射道构成。入射粒子和靶核组成入射道，出射粒子和剩余核组成出射道。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。 发生某种核反应的几率用核反应截面来表征。只有满足质量数、电荷、能量、动量、角动量和宇称等守恒条件，核反应才能发生，相应的反应道称为开放的，或简称开道，反之为闭道。核反应过程总是伴随着能量的吸收或释放，前者称为吸能反应，反者称为放能反应。反应能常用Q表示，等于反应后与反应前体系动能之差，可标明在核反应方程式中，例如: 3H+2H→4He+n+Q Q=17.6MeV 对于吸能反应，仅当入射粒子的动能高于阈能(Eth)时才能引起核反应。 核反应按其本质来说是质的变化，但它和一般化学反应有所不同。化学反应只是原子或离子的重新排列组合，而原子核不变。因此，在化学反应里，一种原子不能变成另一种原子。核反应乃是原子核间质点的转移，致使一种原子转化为它种原子，原子发生了质变。核反应的能量效应要比化学反应的大得多。核反应能常以兆电子伏计量，而化学反应能一般只有几个电子伏。例如:核反应不是通过一般化学方法所能实现的，而是用到很多近代物理学的实验技术和理论。首先要用人工方法产生高能量的核“炮弹”，如氦原子核、氢原子核、氘原子核等，利用这些“炮弹”猛烈撞击别的原子核，从而引起核反应。各种各样的加速器，都是为了人工产生带电的高能粒子用做核“炮弹”来进行核反应的。当1932年人们发现中子后，不但对原子核的结构有了正确的认识，而且发现中子是一种新型的核“炮弹”。由于中子不带电荷，它和原子核之间不存在电排斥力，因而用它来产生核反应时，比用带电的其他高能粒子效果好得多。一些工厂有核反应堆。 核反应通常分为四类:衰变、粒子轰击、裂变和聚变。前者为自发发生的核转变，而后三种为人工核反应(即用人工方法进行的非自发核反应)。 分类 按入射粒子的不同，核反应可分为三类:①中子核反应，如中子的弹性散射(n,n)、非弹性散射(n,n′)，中子的辐射俘获(n,γ),发射带电粒子的核反应(n,p)、(n,α)等，又如中子裂变反应(n,f)，发射两粒子的核反应(n,2n)、(n,pn)等;②带电粒子核反应，如质子引起的核反应(p,γ)、(p,n)、(p,p)、(p,p′)、(p,α)、(p,2n)等，氘核引起的核反应(d,n)、(d,p)、(d,α)等，α粒子引起的核反应(α,n)、(α,2n)、(α,p)等，重离子引起的核反应(12C,4n)、(22Ne,6n)等;③光核反应，即光子引起的核反应，如(γ,n)、(γ,p)、(γ,α)、(γ,f )等。 按入射粒子的能量，核反应又可粗分为三类:①低能核反应，入射粒子能量低于108电子伏，对于较轻的重离子，每个核子平均能量低于107电子伏(如108电子伏的碳12核)，也属于低能核反应的范畴，低能核反应的出射粒子的数目最多为3~4个;②中能核反应，入射粒子能量在108~1010电子伏之间;③高能核反应，入射粒子能量大于1010电子伏。 特点 1、连锁反应 某些核反应存在连锁反应的现象，如:U-235和中子的核反应:只要有一个中子轰击U-235，就会放出3个中子，3个中子再去轰击U-235就会生成9个中子，这样连续下去，在几微秒的时间里，就使反应进行得非常剧烈而放出巨大的能量，具有这种特点的反应，我们称之为连锁反应。原子弹的爆炸能够如此剧烈，就是由于发生了连锁反应。 2、伴随核辐射 在U-235与中子的核反应中，如果反应不密封的话，产生的中子会以光速射向周围环境，形成辐射。以光速运动的微小粒子都能产生辐射。辐射看不见、摸不着。但是可以通过仪器测得。少量的辐射对人体不产生影响，而且人类还利用辐射为人类造福，例如医院用X光给病人做胸透，化疗是目前治疗癌症比较常用的方法，其原理就是利用辐射来杀死癌细胞。但是辐射量一多，就会对人体产生伤害。比如X光可以用于检查疾病，但是如果孕妇照X光的话，就有可能导致婴儿畸形或基因变异。同样，接受化疗的病人，会有脱发、恶心、乏力等副反应出现。剂量再大一点的辐射，还会使成人产生基因变异，诱发血癌、皮肤癌等疾病。大量的辐射，还会烧伤甚至烧死一切有生命的物质。 3、高效 4、清洁、无污染 核能是清洁、无污染的新能源: 以法国为例:1980-1986年间，法国核电占总发电量的比例由24%-70%，在此期间法国总发电量增加40%，而排放的含硫物质降低了9%，尘埃减少了36%。大气质量明显改善。