Kernereaktioner. En deuteron d rammer en 208Pb-kerne nær dens overflade, hvorefter neutronen fra deuteronen indfanges i en bane. En kerne af 209Pb er blevet skabt, og protonen (også fra deuteronen) forsvinder væk.

.

Ved sammenstød mellem to atomkerner spiller radierne R1 og R2 samt stødafstanden b en rolle for forløbet af kernereaktionen.

.

Kernereaktioner er processer, hvor to atomkerner reagerer med hinanden. Der findes forskellige former for kernereaktioner såsom spredning, absorption og transferreaktioner. Hvilke processer der kan foregå, er afhængig af den energi, som er til rådighed.

Studiet af kernereaktioner er en af de væsentligste metoder til bestemmelse af kerners og kernekræfters egenskaber. Kernereaktioner spiller også en essentiel rolle i atomkraft og dannelsen af grundstoffer.

Princippet bag kernereaktioner

Kernereaktioner kan foregå, når to atomkerner kommer så tæt på hinanden, at de kan interagere. Dette kan ske ved, at en eller begge atomkerner accelereres op og støder sammen.

Atomkerner interagerer hovedsagelig ved hjælp af to slags kræfter: den langtrækkende elektromagnetiske kraft og den kortrækkende stærke kernekraft. Den elektromagnetiske kraft vil føre til spredning af atomkernerne, mens den stærke kernekraft kan føre til opbrud og dannelse af nye atomkerner.

Typen af en kernereaktion bestemmes i det væsentlige af tre størrelser: atomkernernes kinetiske energier, atomkernernes størrelser og stødafstanden.

Stødafstanden er defineret som afstanden mellem en linje, der går gennem den ene atomkernes centrum i bevægelsesretningen før sammenstødet, og en parallel linje, der går gennem den anden atomkernes centrum (se figuren). Denne afstand svarer til den korteste afstand mellem de to atomkerner, hvis de passerede hinanden uden at interagere. Hvis stødafstanden er større end summen af de to kerners radier, vil kernerne ikke berøre hinanden under sammenstødet. I dette tilfælde er det kun de elektromagnetiske kræfter fra kernernes positive ladninger, der virker under stødet. Er stødafstanden derimod mindre end summen af kerneradierne, kan kernerne komme i kontakt med hinanden. Det kræver, at den kinetiske energi er stor nok til at overvinde den elektriske frastødning. I så fald vil de kortrækkende kernekræfter udøve en stærk tiltrækning mellem de stødende kerner.

Bevarelseslove i kernereaktioner

Ud over de tre hovedparametre for kernereaktioner, dvs. kernernes størrelser, stødafstanden og energien, er enhver kernereaktion underlagt en række bevarelseslove (eller symmetrier). Det gælder først og fremmest de kinematiske love om energi-, impuls- og impulsmomentbevarelse; dernæst bevarelse af elektrisk ladning og baryontal (det samlede antal af protoner og neutroner); og endelig bevarelsesreglerne for kernekræfterne, nemlig isospin- og kvark-flavor-bevarelse.

Eksempler på kernereaktioner

Elastisk spredning

I en elastisk spredning vil to atomkerner komme så tæt på hinanden, at de vil frastøde hinanden pga. den elektromagnetiske kraft. Hvis de begge er i bevægelse, vil de afbøje hinanden. Er kun den ene i bevægelse, vil den blive afbøjet og samtidig sætte den anden i bevægelse, som man kender det fra sammenstød mellem to bolde eller billardballer. De indre tilstande af atomkernerne vil dog forblive uændret. Denne form for reaktion kaldes også Rutherford-spredning.

Uelastisk spredning

Ligesom med elastisk spredning er uelastisk spredning en reaktion, hvor de samme to kerner forekommer før og efter sammenstødet. Modsat elastisk spredning, så overføres der i uelastisk spredning energi mellem de to atomkerner, som efter sammenstødet vil efterlade den ene eller begge kerner i en exciteret tilstand.

Uelastisk spredning kan være frembragt af det elektromagnetiske kraft mellem de to atomkerner (Coulomb-excitation) eller af en kombination af de elektriskmagnetiske kræfter og kernekræfterne. Det er især tilstande, hvor kernen vibrerer eller roterer som et hele, der bliver anslået. Uelastiske spredningsprocesser har derfor været benyttet til en systematisk udforskning af kernernes kollektive bevægelsesformer.

Knock-out-reaktion

En knock-out-reaktion er en kernereaktion, hvor en eller flere nukleoner bliver slået løs fra en af atomkernerne. Det kræver en høj nok energi til, at den stærke kernekraft kan komme i spil. En knock-out-reaktion kan ses som et ekstremt tilfælde af en uelastisk spredning, hvor den overførte energi er stor nok til, at en nukleon kan overvinde sin bindingsenergi.

Transferreaktioner

Hvis den kinetiske energi af de to atomkerner er stor nok til at overvinde den frastødende elektromagnetiske kraft, så kan de to atomkerner komme tæt nok på hinanden til, at de kan interagere med den stærke kernekraft. Sker det, er det muligt, at der udveksles en eller flere nukleoner mellem de to atomkerner, også kaldet en transferreaktion. På den måde kan man danne to nye atomkerner.

Compoundkernereaktioner

Hvis de to kollisionspartnere smelter sammen i stedet for at overføre enkelte nukleoner, så opstår en såkaldt compoundkerne; det sker for små stødafstande og ved moderat energi. Compoundkerner er ustabile og karakteriseret ved kaotiske bevægelser af nukleonerne, som har gennemgået en række sammenstød under sammensmeltningen af de to kerner.

Når compoundkernen dannes af to store kerner, kan tilstanden have et stort impulsmoment, dvs. at compoundkernen roterer hurtigt. Den vil først henfalde ved udsendelse af neutroner, hvorefter restkernen efterlades i en bunden, men hurtigt roterende tilstand. Ved at studere den resulterende kaskade af gammastråler kan man få detaljerede oplysninger om rotationsbevægelsens indflydelse på kernernes kvantestruktur.

Isobare analogtilstande

Med protoner som projektiler kan der via en compoundkernereaktion forekomme kraftig elastisk spredning af protonen ved ganske bestemte indskudsenergier, dvs. en resonansreaktion. Dette skyldes det såkaldte isospin-kvantetal, der udtrykker en speciel sondring mellem nukleoner med og uden elektrisk ladning (proton eller neutron).

Eksempelvis er der i kernen 209Bi (bestående af 208Pb plus en proton) foruden enkelt-proton-tilstande ved lave energier også en række særlige tilstande ved højere energier, som er analoge til enkelt-neutron-tilstandene i 209Pb (bestående af 208Pb plus en neutron), blot med den forskel, at der er føjet en ladning til neutronen. Disse tilstande kaldes isobare analogtilstande.

I elastisk spredning af protoner på 208Pb træder analogtilstandene frem, idet spredningssandsynligheden bliver meget stor, når indskudsenergien af protonen netop svarer til energien af den isobare analogtilstand.

Eksperimentelle metoder

Kernereaktioner studeres oftest ved at accelerere den ene type kerner, projektilkernerne, til den ønskede energi i en accelerator for derefter at lade dem passere gennem et folie, som indeholder den anden type kerner, targetkernerne (fx bly). Målingerne foretages på de udgående slutpartikler ved at bestemme deres masse, ladning og impuls i dertil konstruerede detektorer, fx magnetiske spektrografer, kalorimetre eller (i tilfælde af gammastråler) Ge-Li-krystaller. Hvis der er to udgående partikler, behøver man kun at måle den ene omhyggeligt, idet den andens egenskaber er fastlagt af bevarelseslovene.

Til forsøg ved meget høje projektilenergier (over 100 GeV) benyttes ofte en dobbeltaccelerator (engelsk collider), hvor projektil- og targetkerne begge accelereres og skydes mod hinanden.

Reaktioner mellem tunge kerner ved meget høje energier

Reaktioner mellem tunge kerner ved meget høje energier er et vigtigt redskab til at udforske kernestof under ekstreme energi- og baryontætheder.

Ved kernesammenstød mellem eksempelvis to blykerner med energier på flere TeV dannes adskillige tusinde nye partikler fra hele spektret af hadroner. Det er en eksperimentel udfordring at måle bare et udsnit af disse partikler. Et eksempel er den specifikke detektering af J/psi-partikler, som kan dannes i sammenstød mellem to blykerner ved en energi på 3,2 TeV. J/psi-partiklen identificeres gennem dens henfald til to μ-mesoner vha. en detektor, der kun er følsom over for de meget sparsomt forekommende μ-meson-par og ikke reagerer på nogen af de andre tusinde partikler. Målingerne viser, at der dannes færre J/psi-partikler, jo mindre stødafstanden er i processen. Det er det modsatte af, hvad man skulle forvente. Resultatet kan tolkes derhen, at der er skabt en ny form for stof ved reaktionen, et kvark-gluon-plasma, som bl.a. har den egenskab, at det stærkt absorberer J/psi-partiklerne. Denne stofform menes at have udgjort det meste af Universet ca. 1 μs efter dets skabelse.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig