关于核反应介绍

[拼音]：hefanying

[外文]：nuclear reaction

具有一定能量的粒子同原子核碰撞，通过相互作用使原子核的状态发生变化或形成新的原子核的过程。一般反应式写为A(a，b)B，或简写为A(a，b)或(a，b)，式中a表示具有一定能量的入射粒子，如入射粒子也是原子核，则又称为d核，A为入射粒子轰击的目标，称为靶原子核，简称靶核，b为反应后发射的粒子，B为剩余核。在某些情况下，反应后的产物还可以是三体甚至多体。研究原子核反应对于了解原子核的性质、原子核反应机制、新原子核的形成和核技术应用等方面都有重要意义。

为了描述能量关系，核反应A(a，b)B常写成如下形式

其中Q为反应中释放的能量，称为反应能，Q的数值又称反应Q值。反应能随 B和b的种类及其所处的量子态而异，计算方法见核反应能谱学。

当反应能Q＞0，表示反应进行时放出能量，称为放热反应；而当Q﹤0，则表示反应进行时吸收能量，称为吸热反应。对于吸热反应，只有入射粒子的动能大于一定数值时，反应才可能发生，这类反应又称有阈反应。在实验室坐标系中，反应前体系具有一定的动量，根据动量守恒定律，反应后体系也必须具有相等的动量，即反应后体系还必须具有一定的动能。因此，入射粒子具有的动能除了要补偿被体系吸收的Q值外，还必须提供给反应产物以必要的动能。在实验室坐标系中，引起核反应的入射粒子最低动能称为核反应阈能，阈能E的表示式为

式中mA为靶核的质量，ma为入射粒子的质量。

对于一定的入射粒子和靶核，可能发生多种核反应。例如，对于氘核(d)轰击12C靶时有

等反应。其中剩余核的下角标g、1st等分别表示它处于基态、第一激发态等态，出射粒子的下角标0、1等分别表示该出射粒子群同处于基态、第一激发态等态的剩余核相对应。对于某一特定的反应过程就称为一个反应道。对于任一组可能的各自处于特定量子态的剩余核和出射粒子构成一个出射道（通常出射粒子处于基态），类似的，处于特定量子态（通常为基态）的靶核和入射粒子称为反应的入射道。在A(a，b)B反应中，A、a构成入射道，B、b处在不同的量子态构成各种不同的出射道。当入射道确定时，一个反应道对应一个出射道。有时对它们也不作严格的区分。

对于同一入射道，产生各个出射道的几率不相同，这种几率可随着入射粒子的能量不同而有差别。在入射粒子能量确定后，在核反应阈能以下的反应道称为闭道，否则称为开道。产生各种反应的几率用核反应截面这个物理量来描述。

从测量出射粒子的能谱、激发函数、角分布、截面绝对值、极化、角关联以及其他一些物理量，就可以得到核结构和核反应机制方面的很多信息，例如由出射粒子能量可以确定剩余核能级，从激发函数的共振峰位和共振宽度可测定复合核能级宽度和寿命(见复合核模型)，从角分布的分析中可以确定核的自旋和宇称以及反应机制等。

核反应按入射粒子的种类可分为中子核反应，光核反应，电子同核的反应，轻离子核反应（指α粒子和比它更轻的离子引起的核反应），重离子核反应(指比α粒子重的离子引起的核反应)等。此外，如π介子、K介子等也能引起核反应。

核反应按出射粒子同入射粒子相同与否可分为核散射和核转变两类。核散射又根据散射前后系统的总动能相等与否分为d性散射和非d性散射两种。核反应按入射粒子的能量大小可分为低能核反应和中高能核反应，这里对能量的划分只是习惯用语，并没有明确的分界。

除了能量守恒定律和动量守恒定律外，实验证明核反应还必须遵循电荷守恒定律、质量守恒定律、角动量守恒定律和宇称守恒定律。

要深入了解核反应，必须首先了解核反应的机制。对于中子核反应和轻离子核反应，反应进行的过程可以用示意图来大致说明。

当入射粒子进入靶核的作用区域，它或被靶核吸收或被靶核散射。这是反应过程的开始阶段，可以用核反应光学模型处理，这一阶段发生的反应称为一步直接反应(或简称直接核反应)。随着反应过程继续进行，入射粒子可以激发靶核中一个核子、二个核子、多个核子等，或引起整个原子核的集体激发， 如振动、转动等。也就是反应顺序经过一步反应、二步反应、三步反应、……。入射粒子和靶核的复合系统的组态也由初始门态（又称门槛态）、次级门态、……，变得越来越复杂。这段过程就构成了核反应的中间过程。在中间过程的每一步，都可能以发射粒子使反应结束，并且在反应的每一步又可能返回到前一步再发射粒子使反应结束。在整个中间过程中的粒子发射统称为预平衡发射。

入射粒子经过和靶核的核子多次碰撞，充分地交换能量，使动能在整个系统中进行了分配。此时已无法区分入射粒子和靶核中的核子，就达到了所谓“失去记忆”的统计平衡阶段，即形成了复合核。复合核通过发射粒子或射线进行衰变。如果复合核发射的是与入射粒子相同的粒子，并且剩余核处于基态的话，则称为复合核d性散射。

重离子核反应等其他反应机制，尚有各自的特点，可见重离子核物理等。

研究核反应除了研究反应机制外，还常用来研究核结构，也就是研究复合核或者剩余核的核内运动情况。通常用实验测量结果同各种核结构的微观理论预言进行比较，以确定各种核状态。

参考书目

1. 卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
2. P. E. Hodgson， Nuclear Reactions and Nuclear Structure，Clarendon， Oxford， 1971.

参考文章

• 史前核反应堆之谜素材