Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

kernereaktioner

Oprindelig forfatter OleH Seneste forfatter Redaktionen

/div/div/pre, function 'web.xml' failed with response:
async operation has not finished

kernereaktioner, processer, hvor to atomkerner støder sammen og udveksler energi. Hvis sammenstødet kun er forbundet med kinetisk energiudveksling, kaldes processen elastisk spredning. Studiet af kernereaktioner er en af de væsentligste metoder til bestemmelse af kerners og kernekræfters egenskaber. Forløbet af kernereaktioner bestemmes i det væsentlige af tre størrelser: kernernes kinetiske energier, kernernes størrelser og stødafstanden, som er afstanden, før sammenstødet, mellem en linje gennem den ene kernes centrum i stødretningen og en dermed parallel linje gennem den anden kernes centrum.

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.

Eksempler på kernereaktioner

Den simpleste kernereaktion er uelastisk spredning, hvor de samme to kerner forekommer før og efter sammenstødet, men hvor den ene eller begge kerner efter sammenstødet er i en anslået tilstand. Den kan være frembragt af det elektromagnetiske felt fra den anden kerne (Coulomb-excitation) eller af en kombination af de elektriske 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.

Annonce

/div/div/pre, function 'web.xml' failed with response:
async operation has not finished

Med en anden type kernereaktion kan skalmodellens enkeltpartikeltilstande undersøges. Enkeltpartikeltilstande forekommer, fordi en proton eller en neutron kan bevæge sig i forskellige kvantemekaniske baner, uden at det berører resten af kernen. Ved at skyde fx en deuteron (dvs. en neutron løst bundet til en proton) ind imod en magisk atomkerne som 48Ca eller 208Pb kan man iagttage, at kun protonen kommer ud efter sammenstødet med en skarpt defineret energi; neutronen forbliver i en enkeltpartikelbane i kernen. Tilstandens energi og andre kvantetal kan bestemmes ved at måle sandsynligheden for reaktionen som funktion af vinklen mellem den indkommende deuteron og den udgående proton. Udtrykt i passende enheder er sandsynligheden et mål for den andel af kernetilstandens samlede bølgefunktion, som udgøres af enkeltpartikelbevægelsen. Denne reaktionstype kaldes en direkte reaktion. Der kan også med denne metode overføres flere nukleoner (i praksis op til fire), hvorved andre dele af kernetilstandenes bølgefunktioner kan undersøges. Parkorrelationer kan fx måles ved, at der overføres to neutroner (en triton, 31H, ind mod kernen og en proton ud igen).

Compoundkernereaktioner

Hvis de to kollisionspartnere smelter sammen, opstår en 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. 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). I kernen 209Bi (bestående af 208Pb plus en proton) er der fx 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.

Bevarelseslove i kernereaktioner

De tre hovedparametre for kernereaktioner, dvs. kernernes størrelser, stødafstanden og energien, giver så rige variationsmuligheder, at man næsten altid kan finde et sæt betingelser, der gør det muligt at studere en bestemt bevægelsesform i kernerne eller en bestemt komponent af kræfterne. Enhver måling af kernereaktioner og enhver fortolkning af det målte er 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 (antallet af protoner og neutroner i en kernereaktion); og endelig bevarelsesreglerne for kernekræfterne, nemlig isospin- og kvark-flavor-bevarelse.

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 (eng. 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 herpå 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.

/pre, function 'web.xml' failed with response:
async operation has not finished

/pre, function 'web.xml' failed with response:
async operation has not finished