Transcript: Reacţii nucleare. Legi de conservare.

În cea de-a patra lecție de fizică nucleară vom discuta despre reacțiile nucleare și apoi vom prezenta legile de conservare care sunt valabile în aceste reacții nucleare.
Conceptul de reacție nucleară este un concept destul de vast pentru că există multe tipuri de reacții nucleare.
Vom da definiția și apoi vom discuta un pic despre această definiție.
Reacția nucleară este procesul în care o particulă și un nucleu interacționează prin forțe nucleare și ansamblu format se desface în mai multe particule sau nuclei.
Simbolic, o reacție nucleară este reprezentată în felul acesta.
A plus X se transformă în B plus Y unde A este o particulă sau un nucleu, X este un nucleu, B este din nou o particulă sau poate fi tot un nucleu, iar Y este un nucleu.
Deci, după cum vedeți, avem multe variante de reacții nucleare cuprinse în aceeași reprezentare simbolică.
Cuvântul cheie de fapt al acestei definiții este cel de forță nucleară.
Deci, o reacție nucleară este practic un proces, care poate fi de foarte multe tipuri, dar în care interacțiunea este de tip nuclear.
Ca și contraexemplu, când am discutat despre experimentul Rutherford, am văzut că se împrăștiau particule alpha pe foițe de aur.
Deci, particule alfa interacționau cu nucleele de aur, se împrăștiau și obțineam tot particule alfa și nuclee de aur.
După cum știți, particule alfa sunt nuclee de heliu și dacă vă uitați la această reprezentare simbolică, se încadrează foarte bine în reprezentarea simbolică din definiția reacțiilor nucleare.
Totuși, a nu este o reacție nucleară, pur și simplu pentru că împrăștierea particului alfa pe nucleele de aur era electromagnetică.
Se datora faptului că amândouă nucleele sunt încărcate cu sarcină electrică și deci putem avea o interacțiune de tip electrostatic între împrăștiere electrostatică.
Ceea ce se întâmplă în acel experiment. Deci acest exemplu nu este un exemplu de reacție nucleară pentru că nu are loc prin intermediul unei forțe nucleare.
Componentele unei reacții nucleare au câteva nume folosite convențional. X se numește de obicei nucleoțintă, Y se numește de obicei nucleo rezidual format în reacția nucleară, A se numește particulă proiectil, iar B se numește particulă produsă.
Noțiunile de proiectil și țintă vin din faptul că în cele mai multe cazuri practice, dar nu întotdeauna, nucleele țintă se află într-o foiță cu un material ce conține acest tip de nucleu, iar particulele proiectil sunt într-un fascicul care bombardează această foiță de țintă.
Deci avem o foiță care este ținta, ce conține nucleul de tip X, și un fascicul, ce bombardează foița, ce conține particule de tip A, care se numesc proiectii. De aceea numele proiectil și țintă.
Particulele A și B, după cum am spus, pot fi atât particule cât și nuclee, în funcție de tipul reacției nucleare. Particulele uzuale din reacțiile nucleare sunt fotonii, particule alfa, electroni, protoni sau neutroni.
Particulele A sau B pot fi nuclee în următoare tipuri de reacții nucleare. În fisiune, fisiunea este, după cum am discutat deja, ruperea unui nucleu de tip X în două nuclee, pe care le putem nota cu Y1 plus Y2, putându-se forma și de obicei formându-se și alte particule.
Dar, în fisiune, vedem că B este tot un nucleu. În fiziune, A este un nucleu pentru că fiziunea înseamnă fiziunea două nucleu ușoare, X1 plus X2, într-un nucleu greu plus, eventual, alte particule.
Deci, A este X1 și este un nucleu în fiziunea nucleară. De asemenea, avem așa numitele ciocniri între ioni, în care atât A cât și X sunt nuclee și, în funcție de energia la care are loc această ciocnire între ioni, adică dacă nu este prea mare, atunci și B și Y vor fi nuclee.
După cum am spus, unele reacții pot avea mai mult de doi produși, spre exemplu fiziunea, și de aici vine această adăugare, plus și așa mai departe.
În fiziune, pe lângă cele două nuclee de fiziune, se mai formează și o serie de alte particule, precum neutroni sau electroni.
În afară de faptul că sunt intermediate prin forțe nucleare, reacțiile nucleare mai au în comun că respectă aceiași serie, pe care o învăț curând, de cinci legi de conservare.
Prima lege de conservare respectată de reacțiile nucleare este conservarea energiei.
Dacă notăm cu W energia totală a unei particule, atunci conservarea energiei spune că energia din starea inițială este egală cu energia din starea finală.
Deci, W A plus W X este egal cu W B plus W Y.
Bineînțeles, asta în cazul în care nu avem și alte particule în starea finală.
Dacă le-am avea, ar trebui să adăugăm și energiile lor.
În care cu W, după cum am spus, notăm energia totală a unei particule, care este egală cu MC pătrat. Aceasta este legea lui Einstein sau ecuația masă-energia lui Einstein.
Energia totală este MC pătrat și care poate fi scrisă ca M0C pătrat plus energia cinetică.
Bineînțeles, prin M înțelegem masa de mișcare, deci acest M depinde de viteza particulei.
Și prin M0 înțelegem masa de repaus sau masa în sistemul de referință propriu al particului plus energia cinetică.
Folosind această ecuație pentru energia totală, putem rescrie legea de conservare a energiei într-o formă mai folosită în practică și anume,
grupăm într-o parte a egalului energia cinetică și în cealaltă parte a ecuației, de partea dreaptă în cazul acesta, masele de repaus.
Notăm partea ce conține masele de repaus cu Q.
Deci Q, care se numește energia de reacție, va fi egală cu balanța, dacă doriți, masei de repaus din reacția nucleară.
Deci Q va fi MA plus MX minus MB minus MYC pătrat.
Iar în partea stângă vom avea energiile cinetice.
În funcție de această energie de reacție există două tipuri principale de reacții nucleare.
Prima este reacția nucleară endoenergetică, care are loc atunci când energia de reacție este negativă.
Ce se întâmplă înainte de a discuta mai departe? Ce se întâmplă când Q este negativ?
Se întâmplă un lucru esențial și anume suma maselor inițiale devine mai mică decât suma maselor finale.
În felul acesta Q este mai mic decât 0.
Aceasta înseamnă că starea inițială este mai stabilă decât starea finală.
Și în concluzie, într-o reacție de acest fel, și anume endoenergetică, nu putem avea acest proces având loc de la sine.
Starea finală este mai puțin stabilă, e mai puțin probabil.
Deci trebuie să cedăm sistemului o anumită energie, de obicei energie cinetică, bineînțeles, minimă, pentru ca reacția să aibă loc.
Această energie cinetică inițială minimă pe care trebuie să o cedăm sistemului, să o dăm sistemului pentru ca reacția să aibă loc, se numește energia de prag.
Și este egală cu modulul energiei de reacție.
Cazul invers în care Q este mai mare decât 0 se numește reacție exoenergetică.
Din nou, dacă ne uităm la definiția energiei de reacție, Q mai mare decât 0 înseamnă că suma maselor inițiale este mai mare decât suma maselor de repaus, bineînțeles, din starea finală.
Asta înseamnă că starea finală are energie mai mică, deci este favorizată natură.
După cum bine știți, funcționează principiul minimei energiei.
Deci dacă masa inițială este mai mare decât masa finală, atunci reacția are loc de la sine.
O dată ce punem particulele A și X împreună, ele vor interacționa nuclear și de la sine vor genera acest proces în care în starea finală vom întâlni B și Y.
Următoarele ești de conservare sunt conservarea impulsului.
Asta înseamnă că suma vectorială a impulsurilor din starea inițială este egală cu suma vectorială a impulsurilor din starea finală.
După cum am spus, în multe reacții nucleare, nu în toate, dar totuși în multe, nucleul X se află în stare de repaus.
Deci un caz particular este cel în care impulsul nucleului X din starea inițială este 0 și atunci această conservare a impulsului se scrie în felul acesta.
PA este egal cu PB plus PY.
Asta înseamnă că reprezentând schematic avem un nucleu X în stare de repaus, o particulă A cu impulsul PA care se numește particulă proiectil și ciocnește nucleul țint aflat în repaus
și se obțin o particulă B cu impulsul PB și un nucleu Y cu impulsul PY.
Bineînțeles, suma lor trebuie să facă PA, suma vectorială.
Conservarea momentului cinetic este cea de a treia lege de conservare care este respectată de reacțiile nucleare, în care suma a momentelor cinetice, suma vectorială din nou, din starea inițială trebuie să fie egală cu suma vectorială a momentelor cinetice din starea finală.
Vă aduc aminte că momentul cinetic total al unei particule este definit ca produsul vectorial dintre poziția lui vector-poziție și vector-impuls.
De asemenea, după cum bine știm, trebuie să avem o conservare a sarcinii electrice.
În reacțiile nucleare, asta înseamnă că suma numelor atomice din starea inițială trebuie să fie egală cu suma numelor atomice din starea finală.
O cincea și ultima lege de conservare din reacțiile nucleare este conservarea numărului de nucleoni, adică numărul atomic de masă, suma numelor atomice de masă din starea inițială trebuie să fie egală cu cea din starea finală.
Această ultima lege de conservare e valabilă doar pentru nuclee, deoarece conservarea numărului de nucleoni sau conservarea numărului atomic de masă,
bineînțeles, implică conservarea masei.
În general, în fizica, în special relativistă, masa nu se conservă pentru că se poate transforma în energie.
Totuși, în reacțiile nucleare uzuale, adică care nu au loc la energii inițiale cinetice foarte mari, nucleonii nu se transformă în energie, deci se conservă.
În concluzie, în marea majoritatea, dar nu toate, exemplele de reacții nucleare, numărul de nucleoni se conservă.
Ca și contraexemplu, în acceleratoarele moderne de energii foarte mari, spre exemplu LHC, care funcționează în Elveția, în această perioadă,
avem ciocniri între protoni sau între nuclee de plumb la energii foarte mari, la energii colosale, și atunci, spre exemplu,
de fapt, în ambele cazuri, particule inițiale dispar și se formează o multitudine, în sensul de mii de particule, în starea finală,
dintre care unele sunt particule de masă mare și particule de masă mică, deci avem o transformare masivă a energiei cinetice din starea inițială în masă finală.
Pentru că aceste ciocniri sunt ciocniri de energii foarte mari, dacă vreți, ciocniri centrale, adică, spre exemplu, nucleele de plumb se ciocnesc frontal și se opresc.
Întreaga energie cinetică, transformându-se în starea finală, bineînțeles, o mare parte din ea se formă de generare de masă.
Mii de particule se formează, spre exemplu, în astfel de reacții.
Dar, în reacțiile nucleare uzuale, care au loc la energii mai mici sau, semnificativ, mai mici, numărul de nucleoni se conservă.
Un tip particular de reacție nucleară este dezintegrarea nucleară.
Ea este o reacție nucleară în care nucleul se transformă în alt nucleu cu emisia unei particule sau a mai multor particule.
Deci, iarăși, simbolic vorbind, nucleul X se dezintegrează într-un nucleu Y și o particulă B, eventual, putându-se forma și alte particule.
Proprietățile de bază ale dezintegrării nucleare sunt următoare.
În primul rând, ele sunt spontane și nu pot fi influențate din exterior.
Adică, au loc atunci când decid ele să aibă loc.
Nu putem influența, într-un fel, ritmul sau viteza acestor dezintegrări nucleare.
Sunt deterministe, dar doar în sens statistic, nu și individual.
Asta înseamnă că, dacă avem un nucleu ce se dezintegrează, nu putem spune când se va dezintegra.
Dar, dacă avem un ansamblu de foarte multe nuclee, putem spune ce probabilitate avem ca, într-o anumită perioadă de timp, să se dezintegreze o anumită fracție din ei.
Deci, putem da legi numai statistice care să spună probabilități și fracții, nu și legi individuale pentru comportarea unui nucleu individual.
Și, bineînțeles, respectă toate legile de conservare.