核反应

定义

核反应指入射粒子或入射原子核与作为靶的原子核碰撞,使原子核的状态发生变化或形成新核的过程。反应前后能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称都必须守恒^[1]。习惯上把用于轰击的粒子称为入射粒子,被轰击的核称为靶核,放出的粒子称为出射粒子,生成的核称为剩余核或产物核^[4]。

核反应与化学反应的关键区别在于是否改变原子核。化学反应只是原子或离子的重新排列,核反应则发生核内质点的转移,使一种元素转变为另一种元素,能量效应也高出多个数量级,通常以兆电子伏计量^[4]。

按机制可把常见核反应分为散射、吸收与裂变等类别。散射时出射粒子与入射粒子相同而方向和能量改变;吸收时靶核俘获入射粒子形成处于激发态的复合核,再通过放出光子、带电粒子或裂变而退激^[5]。

原理

核反应的发生受守恒条件约束:反应前后电荷数(质子数)与核子总数(质量数)必须相等,这也是书写核反应方程的依据^[1]。反应过程伴随能量的吸收或释放,前者称吸能反应,后者称放能反应,反应能 $Q$ 等于反应前后体系动能之差;吸能反应只有入射粒子动能高于阈能时才能发生^[4]。

核反应释放的能量来自质量亏损,按 $E=mc^2$ 换算为能量。比结合能曲线表明,轻核聚合或重核分裂都能生成更稳定的产物并放出能量^[6]。以铀-235 为例,其吸收一个慢中子后分裂为钡-141、氪-92 和 3 个中子,同时放出能量^[6]。

低能核反应常用复合核模型描述:入射粒子先把能量分散给体系内所有核子并达到平衡,形成寿命远长于粒子穿行靶核时间的复合核,其衰变只由自身能量、角动量和宇称决定,与形成过程无关^[7]。该模型由尼尔斯·玻尔于 1936 年提出,可解释低能中子截面出现的尖锐共振峰^[7]。

某一反应道发生的概率用反应截面表征,单位为靶恩,1 靶恩等于 $10^{-28}$ 平方米。截面大小既与核素种类有关,也随入射粒子能量变化,通常中子能量越低,反应截面越大^[5]。中子不带电、不受库仑势垒阻挡,几乎所有能量的中子都能与任何核素发生反应,这一特点使中子成为常用的轰击粒子^[8]。

flowchart LR

A[入射粒子 a] --> C[靶核 A]

C --> D[复合核 C*]

D --> E[剩余核 B]

D --> F[出射粒子 b]

D --> G[释放能量 Q]

发展历程

1919 年,卢瑟福用天然放射性物质放出的 α 粒子轰击氮气,使氮转变为氧并放出一个质子,首次实现了人工核反应,反应式为 $^{14}\text{N}+\alpha\rightarrow{}^{17}\text{O}+p$^[9]。该实验同时表明原子核内部存在质子^[9]。

1932 年中子被发现后,人们对中子与原子核的相互作用展开系统研究,由于中子不受库仑势垒阻挡,它很快成为最有效的轰击粒子之一^[8]。1936 年玻尔提出复合核模型,为理解共振现象提供了理论框架^[7]。

1938 年,哈恩与斯特拉斯曼用中子轰击铀核,发现铀核分裂现象;1942 年费米在芝加哥大学建成世界第一座核裂变反应堆,首次实现受控的核能释放^[10]。1954 年,苏联建成装机容量 5 兆瓦、并入工业电网的核电厂^[10]。

20 世纪 30 年代加速器问世、40 年代反应堆建成,为核反应研究提供了有力工具;高分辨率半导体探测器与核电子学、计算机技术的发展,则大幅提高了能量测量精度和数据处理能力^[1]。半个多世纪中,研究者考察的核反应数以千计,制备出自然界不存在的放射性核素约 2000 种^[1]。

应用

在能源领域,核反应是核电站的能量来源。反应堆利用铀-235 等核素的可控链式裂变反应放热,再通过蒸汽轮机带动发电机发电;天然铀中铀-235 仅占约 0.7%,需提纯浓缩后才能维持链式反应^[11]。轻核聚变则是恒星能量的来源,太阳内部氢核结合为氦核并释放能量,受控聚变研究以此为目标,目前仍处于实验阶段^[12]。

在核分析与同位素生产中,利用中子或带电粒子轰击靶核可制备放射性核素;宇宙射线中的中子轰击氮-14 生成碳-14,是自然界碳-14 的主要来源,也是碳定年法的基础^[1][6]。此外,天然存在的化学元素除氢以外,据信都是在恒星等天体环境中通过核反应合成的^[1]。

在军事领域,不受控制的快链式裂变反应构成原子弹的物理基础,氘氚聚变反应则用于氢弹;二者与受控反应堆的区别在于反应速率是否被人为调节^[3][13]。

局限

核反应不能随意对任意核素进行。由于轻核内部结构稳定且靶核尺寸小,目前技术条件下被有效拆开的主要是铀这类质量很大的原子核,常规手段难以让轻核发生裂变^[12]。聚变虽然能量收益高,但需要极高温度和压力使轻核克服静电斥力,自持的受控聚变尚未实现商业应用^[14]。

反应堆与裂变产物带来放射性风险。堆内积存大量放射性物质,一旦外释会对生物造成辐射伤害;裂变还会产生需长期处置的高放废物,相关储存与处置仍是难题^[12][14]。

在理论描述上,复合核模型并非普遍适用。随入射能量升高,复合核能级宽度增大、间距减小并出现重叠,需要用多能级公式或统计方法处理;当剩余核处于低激发态时,直接核反应的贡献占优势,统计理论的预言与实验不再一致^[7]。

参见

• 核裂变 —— 重核分裂为较轻核并放出能量的核反应类型。

• 核聚变 —— 轻核结合成较重核并释放能量的核反应类型。

• 放射性衰变 —— 不稳定核自发转变为另一种核的过程。

• 链式反应 —— 裂变产生的中子引发后续裂变的持续过程。

• 反应截面 —— 表征某一核反应发生概率的物理量。

• 核反应堆 —— 利用可控裂变核反应释放能量的装置。