反应机制及核反应模型

官方工学老师·23 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
核反应反应截面复合核模型直接反应

反应机制及核反应模型

搞懂截面物理图像与三大经典模型的适用边界

按 空格/→ 演示下一步

1 / 23 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

核反应反应截面复合核模型直接反应

反应机制及核反应模型

搞懂截面物理图像与三大经典模型的适用边界

1第 1 页 · 反应机制及核反应模型

什么是核反应

上页我们讲了描述反应机制的各种模型,但所有模型都建立在一个共同基础之上——核反应本质上是一次「撞击事件」,有两个对象参与。

入射粒子
从外部飞来的粒子,带着动能冲向目标,像发射出去的炮弹
靶核
静止(或近似静止)等待被击中的原子核,是反应中较大的「被撞物」
反应产物
撞击后生成的剩余核与出射粒子,相当于「碎片」飞出
炮弹撞击靶标对应 →核反应中的两体碰撞

炮弹=入射粒子,靶标=靶核,碎片=剩余核+出射粒子

a+Ab+Ba + A \to b + B
2第 2 页 · 什么是核反应

入射阶段:粒子接近靶核

入射粒子从远处飞向靶核,需要依次通过四道关。

1
远距库仑区
库仑斥力主导轨迹,粒子做双曲线偏转(卢瑟福散射)
2
面对库仑位垒
位垒高度≈Z₁Z₂e²/R,能量不足可借量子隧穿
3
进入核力范围
两核距离≈1-2 fm,强力开始压过库仑斥力
4
被靶核俘获
粒子进入核内,入射阶段结束,等待反应发生
3第 3 页 · 入射阶段:粒子接近靶核

三阶段完整流程图

图按时序自上而下推进,三个色块分别对应入射、复合、出射;箭头方向即反应进行顺序。

图解渲染中…
b1激发态复合核:入射粒子与靶核融合后的高能整体b3统计热平衡:能量被众多核子分摊,无法预判哪个会飞出a2核力作用范围约 1 飞米(10⁻¹⁵ m)c2出射粒子需克服剩余核的结合能
4第 4 页 · 三阶段完整流程图

反应截面的物理意义

上一节粒子到了靶核门口,该「撞上」了。但原子核直径只有 10⁻¹⁵ 米,粒子真的会撞到吗?需要一个描述「撞上概率」的物理量。

σ 不是几何面积
单位是面积(靶恩 barn = 10⁻²⁴ cm²),但它不是核的真实大小,而是反应概率的等效度量
σ 定义为概率密度
反应率 R = 入射流强 I × 靶核数 N_t × σ;σ 越大,反应越容易发生
σ 随能量变化
库仑势垒、核力作用范围、量子隧穿等共同决定 σ 对入射能量的强依赖
σ 可偏离几何截面
库仑吸引让等效命中区远大于核真实面积;排斥则使 σ 远小于几何截面
电磁铁吸铁球对应 →反应截面 σ

铁球体积固定(对应几何截面),但电磁铁的「捕获范围」随磁场强度(入射能量)变化,这正是 σ 的等效面积含义

σ=RINt\sigma=\frac{R}{I\cdot N_t}
5第 5 页 · 反应截面的物理意义

截面与反应概率的关系

上一页我们把截面比作靶核的有效拦截面积。但只有「面积」还不够算概率——还得知道靶核排得多密、入射粒子来得有多勤。三者凑齐,反应概率才能算出来。

微观截面 σ
单个靶核的「有效拦截面积」,反应越容易数值越大,单位是靶恩(10⁻²⁴ cm²)
宏观截面 Σ
把靶核密度 N 乘进去:Σ = N·σ,单位 1/cm,含义是粒子走单位长度被反应掉的概率
粒子注量 φ
单位面积上通过的粒子数,反映入射粒子流的「密度」,单位 1/cm²
反应概率 P
薄靶近似 P ≈ Σ·x;精确公式 P = 1 - e^(-Σx),其中 x 是靶厚度
雨天撑伞接雨对应 →截面与反应概率

伞面接雨面积=σ;伞群密度=N;总拦截=Σ=Nσ;雨滴密度=φ

P=1eΣx,Σ=NσP = 1 - e^{-\Sigma x}, \quad \Sigma = N \sigma
6第 6 页 · 截面与反应概率的关系

总截面、分截面与分支比

从左到右:入射粒子接近靶核时可能走多条反应道;各道有一个分截面σᵢ,求和得总截面,归一化得到分支比,描述各道份额。

图解渲染中…
E1总截面σ总 = 各反应道分截面之和F1分支比fᵢ = σᵢ/σ总,所有fᵢ之和=1
7第 7 页 · 总截面、分截面与分支比

光学模型的基本思想

前面画的入射阶段默认粒子撞进去就出不来了——但这只是复合核模型的假设。光学模型认为:靶核更像一颗半透明的玻璃球。

半透明假设
原子核对入射粒子不是「全黑」实心球,部分粒子可以穿透出来
双通道结局
粒子要么弹性穿出(不发生反应),要么被吸收(进入核反应)
对比复合核
不同于「一去不回」的复合核模型,光学模型允许直接穿透
复势描述
用复数势 V+iW 描述核内平均场,实部 V 折射、虚部 W 吸收
半透明玻璃球对应 →光学模型下的原子核

光透过球=粒子未反应穿出;光被吸收=粒子与核内物质发生反应

Vopt(r)=V(r)+iW(r)V_{\text{opt}}(r) = V(r) + iW(r)
8第 8 页 · 光学模型的基本思想

光学势的实部与虚部

光学势是复数势:实部把粒子偏转弹回去(弹性散射),虚部把粒子从弹性通道拿走(吸收→其他反应)。

图解渲染中…
a2复数势,结构类比光学中的复折射率a3决定粒子在势场中的偏折轨迹a4粒子从弹性通道消失的概率a6消失不是真正湮灭,而是流向其他反应
9第 9 页 · 光学势的实部与虚部

穿透系数与反射系数

上一页讲过光学势的虚部会「吸收」波函数——但被吸收去哪了?粒子只有两条出路:要么穿进核内,要么被弹回来。

穿透系数 T
粒子穿过势阱进入核内的概率,对应被虚部吸收的部分
反射系数 R
粒子被势阱表面弹回的概率,对应形状弹性散射
概率守恒
T + R = 1,因为入射粒子只有这两条路
与能量的关系
低于势垒靠量子隧穿,高于势垒则 T 显著增大
虚部决定 T
虚部越强,核内波被「吃掉」越多,穿透系数越大
光照到玻璃表面对应 →粒子打到原子核势阱

一部分光穿过去、一部分反射回来,比例取决于波长与势阱参数

T+R=1T + R = 1
10第 10 页 · 穿透系数与反射系数

复合核的形成过程

上一节讲光学势的吸收——粒子进入核内不再出来。但 Bohr 追问:进去之后整个核会怎样?答案是粒子不再独立,而是与靶核融为一体,形成全新整体——复合核。

粒子被核吸收
入射粒子穿越势垒进入核内,失去独立身份,与靶核融为一体
能量转化为激发能
粒子动能加上结合能差,转化为整个核的内部激发能
核子间频繁碰撞
激发核子与周围核子反复碰撞,能量在所有核子间快速传递
达到统计平衡
能量按自由度均分,复合核'忘记'了自己如何形成
形成较长寿命
寿命约 10⁻¹⁶~10⁻²¹ 秒,远大于核子穿核时间 10⁻²² 秒
烧红的石头投入冷水中对应 →复合核的形成与平衡

石头高温扩散到整盆水,水温均匀后分不清热量最初属于哪一块石头

11第 11 页 · 复合核的形成过程

复合核的统计衰变

上一页讲到复合核已经形成,它像一个被加热到极高温的核子汤。接下来它不会立刻炸开——而是把能量分给所有核子,达到平衡后才从某个出口发射粒子。这就是统计衰变。

玻尔独立假设
复合核的形成与衰变是两个相互独立的过程,衰变方式只取决于核自身状态
能量均衡化
入射能量在所有核子间反复碰撞分配,达到热平衡后才允许粒子逃逸
遗忘出身
复合核寿命长达 ~10⁻¹⁵ s,远大于核子穿越时间,不再记得怎么来的
统计发射
每个出口概率由透射系数、能级密度等决定,与入射道无关
多出口竞争
所有可能衰变道同时竞争,分宽度求和等于总宽度 Γ
一锅煮沸的浓汤对应 →复合核的统计衰变

不管先放肉还是先放菜,煮沸后分不清顺序;蒸汽从哪冒出只取决于温度和食材,与下锅顺序无关

ΓiΓ=TijTj\frac{\Gamma_i}{\Gamma_{\text{总}}} = \frac{T_i}{\sum_j T_j}
12第 12 页 · 复合核的统计衰变

光学模型 vs 复合核模型

两者描述不同阶段,常被混淆——一个看'进门',一个看'住下再走'

光学模型
  • 描述入射阶段:粒子穿过靶核附近
  • 时间极短,约10⁻²²秒量级
  • 保留入射粒子能量与方向记忆
  • 适用弹性散射与直接反应入口
复合核模型
  • 描述形成+衰变两阶段全过程
  • 复合核寿命长,约10⁻¹⁶秒
  • 能量均分后统计发射,角分布对称
  • 适用共振吸收、低能中子诱发反应
短时弹性散射选光学模型,长寿命复合态选复合核模型;两步协同描述完整反应
13第 13 页 · 光学模型 vs 复合核模型

什么是核反应共振

复合核统计衰变由开放道决定,但复合核本身并不是什么能量都能高效形成——只有入射粒子的能量与复合核准离散能级对齐时,截面才冒出尖锐峰。这就是核反应共振。

共振条件
入射粒子动能 E 与复合核某条准离散能级 E_R 几乎相等
截面表现
在 E_R 附近出现尖锐峰,峰值远高于相邻非共振区
能级来源
复合核内部势阱里的准束缚态,寿命有限因而能级有自然宽度 Γ
物理本质
入射波与核内波函数发生相长干涉,复合核暂态寿命变长
推秋千对应 →核反应共振

推的节奏对不上固有频率,秋千只是小晃;节奏对上,摆幅越推越大;能量匹配时截面同样急剧攀升

σ(E)1(EER)2+Γ2/4\sigma(E) \propto \frac{1}{(E-E_R)^2 + \Gamma^2/4}
14第 14 页 · 什么是核反应共振

单能级Breit-Wigner公式

上一页我们看到截面在某个能量处突然蹿高——但这个峰究竟多高、多宽?是否存在一个公式能精确刻画它?单能级Breit-Wigner公式正是回答这个问题的工具。

公式形式
截面随能量变化呈洛伦兹线型——倒钟形曲线
共振中心 E_R
曲线峰值所在能量,对应复合核准稳态的能量
总宽度 Γ
曲线半高全宽;Γ越大,峰越宽越矮
分宽度乘积
Γ_in·Γ_out 决定峰值高度:进出道越通畅,峰越高
自旋统计因子
(2J+1)/[(2s+1)(2I+1)] 反映自旋耦合概率
阻尼钟摆的共振对应 →Breit-Wigner共振峰

推的频率≈固有频率(E_R)时摆幅最大;阻尼Γ越大,峰越宽越矮

σ(E)=πλˉ22J+1(2s+1)(2I+1)ΓinΓout(EER)2+(Γ/2)2\sigma(E) = \pi \bar{\lambda}^2 \, \frac{2J+1}{(2s+1)(2I+1)} \, \frac{\Gamma_{in}\,\Gamma_{out}}{(E-E_R)^2 + (\Gamma/2)^2}
15第 15 页 · 单能级Breit-Wigner公式

共振宽度与能级寿命

顺着箭头读:海森堡原理→能时不确定→Γ与τ的映射→乘积量级为ℏ→窄/宽共振的两种后果。

图解渲染中…
EΓ与τ乘积的量级为ℏ,是反比关系而非严格等式F上页Breit-Wigner中Γ小→共振峰尖锐→τ大GΓ大→共振峰宽而平→复合核衰变快
16第 16 页 · 共振宽度与能级寿命

分波截面与角动量

前页的 Breit-Wigner 公式描述了共振峰的形状——但共振峰到底对应哪种「波」?入射粒子带着轨道角动量 L,每种 L 是一个分波通道,所有分截面加起来才是总截面。

分波展开
入射平面波按轨道角动量 L 分解,s 波即 L=0、p 波即 L=1、d 波即 L=2……
L 与碰撞参数
L = p·b,擦边入射(b 大)对应 L 大,正中靶心(b=0)对应 L=0
离心势垒
L≥1 的粒子须越过 L(L+1)ℏ²/(2μr²) 的离心势垒
s 波主导低能
L=0 没有离心势垒,低能段最先对截面有贡献
p 波与共振标记
能区升高 p 波显著;共振峰常按主导 L 命名(p 波共振、d 波共振)
环形靶盘对应 →L 分波通道

靶心是 L=0(s 波),外圈各环对应 p、d、f 波,每环对应一个分波通道

σL(2L+1)TL/k2\sigma_L \propto (2L+1)\,T_L/k^2
17第 17 页 · 分波截面与角动量

1/v规律的实验发现

上一页我们讲了截面代表反应概率的物理意义。现在看一个实验事实:物理学家测了不同能量中子的吸收截面,在远离共振的低能区发现了一条干净的曲线——不是随能量平方变,也不是指数变。

实验现象
低速中子吸收截面随速度降低而显著上升
1/v规律
截面σ与中子速度v成反比,即σ·v=常数
适用边界
仅在远离共振能级的低能段成立,对多数重核适用
物理暗示
反应概率与中子在靶核附近停留时间成正比
慢速飞来的球对应 →低速中子更易被核吸收

球越慢,你拦截的时间窗口越长;中子越慢,掠过靶核的时间也越长,被吸收的概率就越大

σ(v)=σ0v0v\sigma(v)=\frac{\sigma_0 v_0}{v}
18第 18 页 · 1/v规律的实验发现

1/v规律的量子力学解释

上页讲到低能中子吸收截面随1/v增长——经典物理完全说不通(经典截面是πR²常量)。量子力学给出的答案出奇简洁:把波长当作粒子在量子世界里的'个头',个头越大越容易被抓住。

德布罗意波长
λ=h/(μv),相对运动速度越慢,波长越长
量子几何截面
低能s波主导时,吸收截面σ∝πλ²;高阶分波被离心势垒压制
联立得1/v规律
σ∝λ²∝1/v,截面随速度反比下降
纯量子尺度效应
低能中子λ可达核半径百倍以上,无经典对应
拖大网慢慢撒向水面对应 →长波长慢粒子入射靶核

拖得越慢、网眼越大,兜住的鱼越多;v越小、λ越长,截面越大

λ=hμv,σabsπλ21v\lambda=\frac{h}{\mu v},\quad \sigma_{\text{abs}}\propto \pi\lambda^{2}\propto \frac{1}{v}
19第 19 页 · 1/v规律的量子力学解释

1/v区与截面的对数-对数图

从左到右沿能量轴移动,看对数-对数图上σ随E的三个不同走势。

图解渲染中…
a1对数图上是斜率-1/2的直线段,σ∝1/va2Breit-Wigner公式主导,曲线出现尖锐共振峰a3复合核机制饱和,截面趋于几何截面b1幂律σ∝E^(-1/2)在对数图上即一条直线
20第 20 页 · 1/v区与截面的对数-对数图

反应机制与核反应模型要点

  • 三阶段是骨架,光学与复合核模型互补而非替代
  • 光学势虚部承担吸收概率,非简单可去项
  • 复合核统计衰变下分支比≈能级宽度之比
  • Γ·τ≈ℏ 把共振观测与复合核寿命直接挂钩
  • 1/v 律是低能极限相空间×隧穿的双重指纹
延伸主题:Hauser-Feshbach 统计模型直接反应与转移反应R 矩阵与多能级公式
21第 21 页 · 反应机制与核反应模型要点

自测:判断反应类型与模型适用性

点击作答

在复合核反应激发函数中观察到尖锐共振峰时,最本质的物理原因是?

22第 22 页 · 自测:判断反应类型与模型适用性

课后思考

先自己想,再对照参考答案。不是标准答案,而是思考路径。

1为什么光学模型与复合核模型必须配合使用,单一模型无法解释全部核反应现象?

参考答案光学模型描述入射阶段的平均行为(势吸收),复合核模型描述中间长寿命态的统计衰变。前者是「快过程」,后者是「慢过程」,实际反应中两者并存且衔接。

2对于极低能中子俘获反应,1/v规律与复合核共振机制如何自洽?

参考答案1/v规律源于低能s波主导的极限近似,共振出现在更高能区。两者描述的是同一反应在不同能量窗口的不同侧面,并非矛盾——任何模型都有适用边界。

3光学模型「势+吸收」的思路,能否推广到原子碰撞或分子反应散射?

参考答案类似思想存在——分子反应中的过渡态理论、原子碰撞中的赝势方法都借用「平均场+耗散」框架。但核力的强关联与多体特征使光学模型独具特色,类比要谨慎。

23第 23 页 · 课后思考