核反應(yīng)（atomic reaction），是指原子核與原子核，或者原子核與各種粒子（如質(zhì)子，中子，光子或高能電子）之間的相互作用引起的各種變化。在核反應(yīng)的過程中，會(huì)產(chǎn)生不同于入射彈核和靶核的新的原子核。因此，核反應(yīng)是生成各種不穩(wěn)定原子核的根本途徑。
簡(jiǎn)介
原子反應(yīng)是指入射粒子（或原子核）與原子核（稱靶核）碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。反應(yīng)前后的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、質(zhì)量、電荷與宇稱都必須守恒。原子反應(yīng)是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現(xiàn)象。現(xiàn)今存在的化學(xué)元素除氫以外都是通過天然原子反應(yīng)合成的，在恒星上發(fā)生的原子反應(yīng)是恒星輻射出巨大能量的源泉。
此外，宇宙射線每時(shí)每刻都在地球上引起原子反應(yīng)。自然界的碳14大部分是宇宙射線中的中子轟擊氮14產(chǎn)生的。1919年英國的E。歐內(nèi)斯特·盧瑟福用天然放射性物質(zhì)的α粒子轟擊氮，首次用人工實(shí)現(xiàn)了原子反應(yīng)。30年代初加速器的出現(xiàn)和40年代初反應(yīng)堆的建成，為研究原子反應(yīng)提供了強(qiáng)有力的工具。已能將質(zhì)子加速到兆電子伏，將原子核加速到約兆電子伏，并能獲得介子束。高分辨率半導(dǎo)體探測(cè)器的使用，大大提高了測(cè)量核輻射能量的精度。核電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從根本上改善了數(shù)據(jù)的獲取和處理能力。在過去半個(gè)多世紀(jì)里，研究過的原子反應(yīng)數(shù)以千計(jì)，制備出了自然界不存在的放射性核素約2000種，發(fā)現(xiàn)了300余種基本粒子，獲得了有關(guān)核素性質(zhì)、核轉(zhuǎn)變規(guī)律、核結(jié)構(gòu)、基本粒子以及自然界四種相互作用的規(guī)律和相互聯(lián)系的大量知識(shí)。
定義
我們來分析一下“原文”中對(duì)“原子反應(yīng)”的定義：“原子核在其它粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為原子反應(yīng)”。這個(gè)定義明顯是有一定局限性的，實(shí)際上描述的是另外一種原子原子反應(yīng)類型——原子核的人工轉(zhuǎn)變(包括重核裂變等)。
像鈾、和鐳這些放射性元素，原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子可以連續(xù)地由高能排列變成低能排列，這就稱為“原子反應(yīng)”，釋放出來的多余能量叫做“原子核能”。
當(dāng)用一定能量的入射核子去轟擊原子核時(shí)，由于兩者之間的相互作用而引起原子核的變化，這個(gè)過程稱為原子反應(yīng)。歷史上第一個(gè)人工原子反應(yīng)是1919年歐內(nèi)斯特·盧瑟福用天然放射源(釙Po)產(chǎn)生的。
所謂原子反應(yīng)，是指原子核受一個(gè)粒子撞擊而放出一個(gè)或幾個(gè)粒子的過程。在對(duì)其研究的過程中，實(shí)驗(yàn)工作者常采用靜止的實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量。
原子原子反應(yīng)及方程式原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程稱為原子反應(yīng)。書寫原子反應(yīng)方程的依據(jù)是反應(yīng)前、后電荷數(shù)不變，質(zhì)量數(shù)也不變。
原理
在原子反應(yīng)中，用于轟擊原子核的粒子稱為入射粒子或轟擊粒子，被轟擊的原子核稱為靶核，原子反應(yīng)發(fā)射的粒子稱為出射粒子，反應(yīng)生成的原子核稱為剩余核或產(chǎn)物核。入射粒子a轟擊靶核A，發(fā)射出射粒子b并生成剩余核B的原子反應(yīng)可用以下方程式表示：
或簡(jiǎn)寫為：
若a、b為同種粒子，則為散射，并根據(jù)剩余核處于基態(tài)還是激發(fā)態(tài)而分為彈性散射和非彈性散射，用和表示，給定的入射粒子和靶核能發(fā)生的原子反應(yīng)往往不止一種。每一種原子反應(yīng)稱為一個(gè)反應(yīng)道。反應(yīng)道由入射道和出射道構(gòu)成。入射粒子和靶核組成入射道，出射粒子和剩余核組成出射道。同一入射道可以有若干出射道，同一出射道也可以有若干入射道。
發(fā)生某種原子反應(yīng)的幾率用原子反應(yīng)截面來表征。只有滿足質(zhì)量數(shù)、電荷、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量和宇稱等守恒條件，原子反應(yīng)才能發(fā)生，相應(yīng)的反應(yīng)道稱為開放的，或簡(jiǎn)稱開道，反之為閉道。原子反應(yīng)過程總是伴隨著能量的吸收或釋放，前者稱為吸能反應(yīng)，反者稱為放能反應(yīng)。反應(yīng)能常用Q表示，等于反應(yīng)后與反應(yīng)前體系動(dòng)能之差，可標(biāo)明在原子反應(yīng)方程式中，例如：
對(duì)于吸能反應(yīng)，僅當(dāng)入射粒子的動(dòng)能高于閾能（）時(shí)才能引起原子反應(yīng)。
原子反應(yīng)按其本質(zhì)來說是質(zhì)的變化，但它和一般化學(xué)反應(yīng)有所不同。化學(xué)反應(yīng)只是原子或離子的重新排列組合，而原子核不變。因此，在化學(xué)反應(yīng)里，一種原子不能變成另一種原子。原子反應(yīng)乃是原子核間質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，致使一種原子轉(zhuǎn)化為它種原子，原子發(fā)生了質(zhì)變。原子反應(yīng)的能量效應(yīng)要比化學(xué)反應(yīng)的大得多。原子反應(yīng)能常以兆電子伏計(jì)量，而化學(xué)反應(yīng)能一般只有幾個(gè)電子伏。例如：原子反應(yīng)不是通過一般化學(xué)方法所能實(shí)現(xiàn)的，而是用到很多近代物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論。首先要用人工方法產(chǎn)生高能量的核“炮彈”，如氦原子核、氫原子核、原子核等，利用這些“炮彈”猛烈撞擊別的原子核，從而引起原子反應(yīng)。各種各樣的加速器，都是為了人工產(chǎn)生帶電的高能粒子用做核“炮彈”來進(jìn)行原子反應(yīng)的。當(dāng)1932年人們發(fā)現(xiàn)中子后，不但對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)有了正確的認(rèn)識(shí)，而且發(fā)現(xiàn)中子是一種新型的核“炮彈”。由于中子不帶電荷，它和原子核之間不存在電排斥力，因而用它來產(chǎn)生原子反應(yīng)時(shí)，比用帶電的其他高能粒子效果好得多。一些工廠有原子反應(yīng)堆。
原子反應(yīng)通常分為四類：衰變、粒子轟擊、裂變和聚變。前者為自發(fā)發(fā)生的核轉(zhuǎn)變，而后三種為人工原子反應(yīng)（即用人工方法進(jìn)行的非自發(fā)原子反應(yīng)）。
值得一提的是，原子反應(yīng)的衰變，裂變，以及聚變是高中物理對(duì)于原子物理的初步學(xué)習(xí)。原子反應(yīng)逐漸的平民化，已經(jīng)成為了學(xué)生學(xué)習(xí)的基本知識(shí)之一。
分類
按入射粒子的不同，原子反應(yīng)可分為三類：①中子原子反應(yīng)，如中子的彈性散射(n，n)、非彈性散射(n，n′)，中子的輻射俘獲(n，γ)，發(fā)射帶電粒子的原子反應(yīng)(n，p)、(n，α)等，又如中子裂變反應(yīng)(n，f)，發(fā)射兩粒子的原子反應(yīng)(n，2n)、(n，pn)等；②帶電粒子原子反應(yīng)，如質(zhì)子引起的原子反應(yīng)(p，γ)、(p，n)、(p，p)、(p，p′)、(p，α)、(p，2n)等，氘核引起的原子反應(yīng)(d，n)、(d，p)、(d，α)等，α粒子引起的原子反應(yīng)(α，n)、(α，2n)、(α，p)等，重離子引起的原子反應(yīng)(12C，4n)、(22Ne，6n)等；③光原子反應(yīng)，即光子引起的原子反應(yīng)，如(γ，n)、(γ，p)、(γ，α)、(γ，f )等。
按入射粒子的能量，原子反應(yīng)又可粗分為三類：①低能原子反應(yīng)，入射粒子能量低于108電子伏，對(duì)于較輕的重離子，每個(gè)核子平均能量低于107電子伏（如108電子伏的碳12核），也屬于低能原子反應(yīng)的范疇，低能原子反應(yīng)的出射粒子的數(shù)目最多為3～4個(gè)；②中能原子反應(yīng)，入射粒子能量在108～1010電子伏之間；③高能原子反應(yīng)，入射粒子能量大于1010電子伏。
可控核聚變
因?yàn)榫圩兊牟牧鲜请碾x子，都帶有正電荷，因此想要發(fā)生聚變，必須先克服電磁勢(shì)。為了克服電磁勢(shì)，氘氚離子就必須帶有很高的能量，而且密度要足夠大。聚變這個(gè)專業(yè)里有一個(gè)術(shù)語叫勞森判據(jù)，是指如果想要輸出能量大于輸入能量，就必須滿足溫度、密度、能量約束時(shí)間這三者的乘積大于一個(gè)固定值。為了達(dá)到勞森判據(jù)，好的能量約束方式是必不可少的，顯然用爐子瓶子這種方式是不可能約束住溫度大概在1億攝氏度左右的等離子體的。以下是幾種主要約束方式：
磁約束
在高中我們就學(xué)過，電子、離子在磁場(chǎng)下會(huì)打轉(zhuǎn)，而不會(huì)自由地逃離磁力線，因此磁場(chǎng)是約束高溫等離子體的一個(gè)很好的方式。有很多種磁約束的裝置，比如托卡馬克、球形環(huán)、紡星器等。
慣性約束
慣性約束的核心思想就是利用這些離子的慣性，在他們還來不及散開的時(shí)候把溫度密度提升到一個(gè)可以聚變的水平上。氫彈其實(shí)就是慣性約束的一種，但是它不算是受控聚變。這是因?yàn)樗鼮榱藢?shí)現(xiàn)約束，是靠原子彈在外邊引爆然后向內(nèi)擠壓的。慣性約束聚變裝置一直在努力尋求的，正是取代原子彈，用其他更溫和的方式向內(nèi)擠壓。主流的方案是靠高功率的激光。
引力約束
其他約束
有很多奇怪的人提出過一些奇怪的聚變約束方式，只不過它們都沒有取得過什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。
特點(diǎn)
連鎖反應(yīng)
某些原子反應(yīng)存在連鎖反應(yīng)的現(xiàn)象，如：U-235和中子的原子反應(yīng)：只要有一個(gè)中子轟擊U-235，就會(huì)放出3個(gè)中子，3個(gè)中子再去轟擊U-235就會(huì)生成9個(gè)中子，這樣連續(xù)下去，在幾微秒的時(shí)間里，就使反應(yīng)進(jìn)行得非常劇烈而放出巨大的能量，具有這種特點(diǎn)的反應(yīng)，我們稱之為連鎖反應(yīng)。原子彈的爆炸能夠如此劇烈，就是由于發(fā)生了連鎖反應(yīng)。
伴隨核輻射
在U-235與中子的原子反應(yīng)中，如果反應(yīng)不密封的話，產(chǎn)生的中子會(huì)以光速射向周圍環(huán)境，形成輻射。以光速運(yùn)動(dòng)的微小粒子都能產(chǎn)生輻射。輻射看不見、摸不著。但是可以通過儀器測(cè)得。少量的輻射對(duì)人體不產(chǎn)生影響，而且人類還利用輻射為人類造福，例如醫(yī)院用X光給病人做胸透，放療是治療癌癥比較常用的方法，其原理就是利用輻射來殺死癌細(xì)胞。但是輻射量一多，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。比如X光可以用于檢查疾病，但是如果孕婦照X光的話，就有可能導(dǎo)致嬰兒畸形或基因變異。同樣，接受放療的病人，會(huì)有脫發(fā)、惡心、乏力等副反應(yīng)出現(xiàn)。劑量再大一點(diǎn)的輻射，還會(huì)使成人產(chǎn)生基因變異，誘發(fā)白血病（血癌）、皮膚癌等疾病。大量的輻射，還會(huì)燒傷甚至燒死一切有生命的物質(zhì)。
清潔、無污染
核能是清潔、無污染的新能源：以法國為例：1980－1986年間，法國核電占總發(fā)電量的比例由24%－70%，在此期間法國總發(fā)電量增加40%，而排放的含硫物質(zhì)降低了9%，塵埃減少了36%。大氣質(zhì)量明顯改善。
參考資料 >