Εισαγωγή στις Πυρηνικές Αντιδράσεις

Abstract

Το παρόν σύγγραμμα προορίζεται για χρήση από προχωρημένους προπτυχιακούς φοιτητές ή νεοεισαγόμενους μεταπτυχιακούς φοιτητές Φυσικής. Στο πλαίσιο εννοιών υποβάθρου, εξετάζουμε το πυρηνικό σύστημα από ενεργειακή άποψη και το μοντέλο του αερίου Fermi, με απώτερο σκοπό την περιγραφή της πυκνότητας των υψηλά διεγερμένων καταστάσεων του πυρήνα και τον έλεγχό της με πυρηνικές αντιδράσεις. Εξετάζονται οι χρονικές κλίμακες, η κινηματική του συστήματος των δύο σωμάτων, το ενεργειακό ισοζύγιο μίας πυρηνικής αντίδρασης και οι νόμοι διατήρησης. Εισάγεται η έννοια της διαφορικής και της ολοκληρωμένης ενεργού διατομής. Με ένα απλό μοντέλο σε πείραμα διέλευσης νετρονίων προσδιορίζουμε την ακτίνα του πυρήνα. Περιγράφουμε ένα πείραμα με επιταχυντή. Στο πλαίσιο της σκέδασης Coulomb εξετάζουμε τη σκέδαση σωματίων άλφα από πυρήνες χρυσού και τη σκέδαση ηλεκτρονίων από πυρήνες. Μετά τη συζήτηση του κβαντικού προβλήματος της σκέδασης περιγράφουμε το πρόβλημα των συζευγμένων καναλιών και το οπτικό μοντέλο. Εξετάζουμε τον σχηματισμό και την αποδιέγερση του σύνθετου πυρήνα, τα χαρακτηριστικά των συναρτήσεων διέγερσης των τελικών προϊόντων, των ενεργειακών και γωνιακών κατανομών των εκπεμπόμενων σωματίων. Επισημαίνονται οι διαφορές με τα χαρακτηριστικά των άμεσων αντιδράσεων και των αντιδράσεων προϊσορροπίας. Παρουσιάζονται οι κυριότεροι μηχανισμοί αντιδράσεων μεταξύ βαρέων ιόντων: ελαστική και ανελαστική σκέδαση, αντιδράσεις μεταφοράς νουκλεονίου, αποδιέγερση του σύνθετου πυρήνα, πυρηνικά μόρια, ατελής σύντηξη, βαθιές ανελαστικές κρούσεις, παραγωγή υπερβαρέων στοιχείων με αντιδράσεις σύντηξης, κατακερματισμός βλήματος και οι αντιδράσεις θρυμματισμού με τις πολυάριθμες εφαρμογές τους. Περιγράφονται το στατιστικό μοντέλο των πυρηνικών αντιδράσεων, μία απλοποιημένη μορφή του μοντέλου των εξιτονίων και η μέθοδος Monte Carlo για αντιδράσεις θρυμματισμού σε ενδιάμεσες ενέργειες. Αναφέρονται οι κυριότεροι σύγχρονοι κώδικες πυρηνικών αντιδράσεων. Επιπλέον, περιγράφονται τα γενικά χαρακτηριστικά του φαινομένου της πυρηνικής σχάσης με οδηγό το μοντέλο της υγρής σταγόνας. Εξετάζονται η επίπτωση των φαινομένων φλοιών και η εξασθένισή τους με την αύξηση της ενέργειας διέγερσης του πυρήνα.

The present introductory book is intended to be used by senior undergraduate or early postgraduate students of physics. As a background, we study the energetics of the nucleus and the Fermi gas model for the description of nuclear level density and its determination with nuclear reactions. We examine the characteristic time scales, two-body kinematics, the energy balance, and conservation laws. We introduce the differential and integrated cross section. We describe an accelerator experiment. In the framework of Coulomb scattering, we study the scattering of alpha particles from gold nuclei and electron scattering. After the introduction of quantum scattering, we discuss the coupled-channels and the optical model. We also describe the formation and decay of the compound nucleus, the characteristics of excitation functions of the final products, the energy, and angular distributions of the emitted particles. These features are contrasted with the ones of direct and preequilibrium reactions. We describe the basic characteristics of reactions between heavy ions, such as elastic and inelastic scattering, nucleon transfer reactions, compound nucleus decay, nuclear molecules, incomplete fusion, deep inelastic collisions, superheavy element formation, projectile fragmentation reactions and hadron-induced spallation reactions. We examine the statistical model of nuclear reactions, the exciton model in a simplified form and the Monte Carlo method for spallation reactions at intermediate energies. We discuss briefly the most popular nuclear reaction codes. In the final chapter, we describe the general characteristics of nuclear fission having the liquid drop model as a guide. Then, we examine the influence of shell effects and their fadeout with increasing excitation energy of the nucleus.