Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd do nơtron nhiệt gây ra

Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản

Trong quá trình tán xạ đàn hồi thì nhận dạng và trạng thái nội tại của hạt tới và bia không thay đổi, nhưng động năng và tốc độ của các hạt tới thay đổi, hạt có thể thay đổi hướng chuyển động. Sản phẩm của phản ứng là hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Trong quá trình tán xạ không đàn hồi thì nhận dạng các hạt không đổi.

Tuy nhiên, quá trình này thay đổi trạng thái nội tại với hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích thích và hạt tới a thường phát ra với năng lượng giảm, ký hiệu là a'. Nếu hạt tới a là một hạt nhân phức tạp (ion nặng) thì nó có thể chuyển sang trạng thái kích thích thay cho hạt nhân bia hoặc cả hạt tới và hạt nhân bia đều bị kích thích. Nhiều trường hợp cùng một kênh vào có các kênh ra phản ứng khác nhau hoặc kênh vào khác nhau nhưng có cùng sản phẩm phản ứng.

Trong thực tế có nhiều loại phản ứng biến đổi hạt nhân như: phản ứng với hạt tích điện, phản ứng với ion nặng, phản ứng bắt nơtron, phản ứng chuyển đổi, phản ứng quang hạt nhân,..Bởi vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và quá trình phản ứng thực sự.

Các định luật bảo toàn trong phản ứng

Định luật bảo toàn năng lượng yêu cầu tổng số năng lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số năng lượng của các thành phần sau phản ứng. Định luật bảo toàn động lượng yêu cầu tổng số động lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số động lượng của các thành phần sau phản ứng.

Năng lượng của phản ứng

Động học của phản ứng

Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho hạt nhân dư B bằng cách thay chỉ số b bằng chỉ số B.

Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần

Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại hàng triệu hay hàng tỷ lần lâu hơn thời gian đặc trưng nói trên trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên khi hấp thụ một nơtron thì năng lượng của hạt tới được phân bổ một cách nhanh chóng trong toàn hạt nhân.

Có thể nói hạt nhân đã bắt neutron và trở thành hạt nhân hợp phần [13, tr3]. Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lượng liên kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lượng tới trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích.

Trạng thái kích thích

Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này được tìm thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* được hình thành có một mức năng lượng kích thích tương ứng với sự khác biệt về khối lượng của phản ứng a+A→C*. Năng lượng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lượng đang có của hạt nhân hợp phần.

Trong trường hợp này, phản ứng sẽ xảy ra với suất lượng cao (cộng hưởng). Từ năng lượng cộng hưởng này, có thể tính toán được các mức năng lượng hạt nhân.

Nhiệt hóa Nơtron 1. Nơtron

Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trường. Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là được làm chậm. Trong thí nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của 108Pd đã sử dụng chùm nơtron được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính và được nhiệt hóa trong cột nước cao 5 cm.

Tuy nhiên, do giá thành cao nên nước nặng ít được sử dụng để làm chậm nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng trong những trường hợp cần thiết. Thực tế, người ta hay sử dụng nước (nước thường) để làm chậm nơtron, tuy nước không có hệ số làm chậm cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò tải nhiệt. Độ dài làm chậm là độ dài quãng đường mà nơtron đi được trong chất làm chậm để năng lượng E0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng lượng ET, ta gọi τT là tuổi nơtron nhiệt, thì đại lượng được gọi là độ dài làm chậm.

Tương tác của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình là tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân. Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân bia thì có sự trao đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Tán xạ là không đàn hồi khi nơtron tới tương tác và bị bắt bởi hạt nhân bia sau đó hạt nhân bia trở thành hạt nhân hợp phần hay trạng thái kích thích sau va chạm.

Do khối lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới. Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng lượng cao (~7- 8 MeV) để trở về trạng thái cơ bản như được mô tả trên hình 1.5. Quá trình từ khi bắt nơtron tới khi phát ra tia gamma diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn (10-18- 10-15 giây) nên bức xạ gamma này được gọi là bức xạ gamma tức thời.

Sau khi phát bức xạ gamma tức thời, hạt nhân hợp phần có thể trở thành hạt nhân bền hoặc hạt nhân phóng xạ tiếp tục phân rã beta và phát ra các tia gamma trễ với chu kì bán rã xác định được. Về mặt vật lý, có thể chia ra làm một số loại tán xạ, tương ứng với tiết diện: tiết diện tán xạ liên kết (σcoh), tiết diện nguyên tử tự do (σfa), tiết diện tán xạ trung bình (),. Các nơtron tới có năng lượng trên nhiệt làm cho hạt nhân bia đạt đến các trạng thái cộng hưởng và cuối cùng phân rã về trạng thái cơ bản.