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一种激发态复合核的新理论
【摘要】原子核液滴模型的表面张力做功的核势能计算方法能替代激发态复合核在去激化过程中所产生的核内能的转移和变化的复杂的计算。中子俘获核反应的速率,激发态复合核的寿命,核反应中反应物的丰度。
【关键词】复合核;液滴模型;表面张力;核反应速率;激发态寿命;核素丰度
(一)基本理论
(1)中子俘获核反应速率
文献[1]给出在太阳反应灶(或核反应堆)内部,一个中子与原子核之间的相对速度由麦克斯韦一玻尔兹曼分布所确定。当粒子速度为麦克斯韦一玻尔兹曼分布时,有效截面为
(1)
式中为麦克斯韦加权函数。为最可几速度(其中K=110-16尔格/度为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,mn=1.674954386×10-24克为中子n质量)。
对于单种核素,有效截面=,对麦克斯韦平均反应率,由(1)式有=,以丰度(浓度)计算的反应速率K为
(2)
式中V0为参加反应的单个原子核体积。
设C0为反应物的初始丰度,在发生一级反应达到动态平衡状态时的反应物丰度C为
C=C0exp(-kt) (3)
式中t为反应时间。
(2)从表面张力δ做功来测量计算核力场内势能(表面势或电荷势)
文献[2]给出在有心力场中粒子m的结合能
(4)
根据高能电子与原子核的散射实验发现,原子核的半径具有的形式,其中A为原子核质量,R0=110-13厘米为常数[3]。因此原子核又可以假设为一个均匀带电且不可压缩的液滴(即液滴模型)。它应具有表面张力δ,它的表面积为S时,由表面张力所做的功W=δ?S,就成为核力场的表面势。
根据拉普拉斯定律,液面压力差△P与表面张力系数δ之间有
(5)
式中r1和r2为曲面的两个互相垂直的曲率半径,当r1=r2=r为球形时,有
△P= (6)
在半径为r球体中,表面积S=4πr2,表面张力做功W=为表面势能。由物态方程可知,对于压力P、总能量E和体积V之间有
(7)
表面势能可化为
由于球体积V=,上式又可化为W=,即有总能量
(8)
由(4)式有能量E=,代入(8)式有=,因而有表面张力系数
(9)
在化学元素中,原子序为Z的原子核所带电荷,其中 e0=410-10静电库仑为基本电荷。由于原子核半径可表为,因而表面张力系数可表为 (10)
在核物理实验中发现,当中子n被核M俘获后首先形成一个激发态的复合核M*,核反应方程为
(11)
式中vn代表中子中微子的质量,它等于中子的盈余质量加上核素M的盈余质量再减去复合核M的盈余质量,也就是等于核反应方程(11)中所释放出的热动能Q=vnc2。
根据原子核的液滴模型,在核反应方程(11)式中,反应前的核表面积由中子n的表面积S(其中rn为中子半径,rn=),加上核M的表面积S(其中rA为M核半径,rA=),而核反应后的表面积为复合核M的表面积S(其中为核M的半径,=),因此核反应前后的表面积改变量为
如果复合核M的表面张力系数为,那么表面张力所做的功就是核反应方程(11)在反应过程中所吸收或转移的表面势能(或电荷势能)。在核反应过程中,如果0,有表面张力做功W0,表示核反应过程中所吸收的能量;如果0,有表面张力做功W0,表示核反应过程中所释放出的能量。
由于核反应方程(11)可释放出热动能Q=,根据能量守恒原理,对于入射能量很低的热中子,由核反应(1)过程中所形成的激发态复合核M*,就应具有
(12)
的激发能,因此激发态复合核M*的寿命为
(13)
这也是核反应方程(11)式的反应时间。如果中子n俘获核反应的速率K,那么发生一级核反应的方程为,反应核M在动态平衡状态时的相对丰度(或百分比浓度)为,核反应过程中所产生的复合核M*的相对丰度(或百分比浓度)为
(二)检验实验
(1)关于硼的(n,α)反应实验
在核物理实验中,最常用的中子计数探测核仪器是用加浓的的三氟化硼(BF3)作为计数气体的正比计数管和脉冲电离室。文献[4]给出了测量中子n在三氟化硼正比计数管中的(n,a)反应
在实验中观测到a粒子()的能量为,激发核的激发能,而在去激发过程中发射出的γ射线(分支比93.9%),其余的6.1%为全部释放出热动能,其中热动能是核反应释放出的总能量。由能量守恒定律,有,因而有激发态a粒子(核)的能量
而受激发的a粒子(核子)在去激化过程中发射Eγ=0.478 Mev的γ射线,有a粒子能量=1.952Mev-0.84Mev=1.47 Mev,这是实验中所观测到
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