原子核碰撞的过程——核反应

原子是宏观物质构成的基本单元，原子核占到了原子的几乎全部质量，其内部结构和性质是如何知道的呢？老话说得好，要知道核桃仁的样子，就要把核桃敲开，仔细查看。所以，要知道原子核的内部结构，就要把原子核敲开。原子核是非常小的，其尺寸大约只有 10-14 米，一般榔头打不着。原子核还非常结实，比如，要把一个铁-56原子核打散，就需要用大约8 MeV×56的能量。因此，只有用高速运动的原子核去撞击一个原子核了。国际上第一位对原子核研究进行变革的人是卢瑟福，1909年他利用放射性原子核210Po发射的α粒子轰击非常薄的金箔，发现了原子核。后来，在 1919 年，卢瑟福又利用α粒子轰击纯的氮气，不仅发现了质子，还产生了氧同位素17O，核反应式是14N + α →17O + 质子。当然，17O 的鉴别还是布兰克特在 1925 年完成的。1932 年，查德威克利用9Be(α,n)12C 反应，不仅变革了原子核，还发现了中子。近百年来，核物理学家利用不同能量的各种原子核轰击其他原子核，不仅深入研究了原子核的结构和性质，而且，还在实验室中合成和研究了近3200 种新核素，发现了 20 多种新元素。

图1 E.卢瑟福(1871~1937)

01

核反应需要的条件

前面说了，要使两个原子核相互碰撞，它们之中最少有一个原子核具备足够高的能量(称为炮弹)，或者两个原子核都具备足够高的能量。早期，在实验室中常用的炮弹有两种：一种是来自放射源(可以发射出具有一定能量的粒子的放射性原子核)的粒子，包括中子、α粒子、高能γ射线；第二种是来自离(粒)子加速器的离子束。放射源是早期实验用的工具，可以是天然的，也可以是人造的。核反应堆中子源是一个常用的中子源。加速器是实验室使用的大型实验装置，它有许多类型，例如高压倍加器、串列加速器、回旋加速器和同步加速器。

再一个就是需要有合适的靶原子核，一般都会选择一种由单一的稳定原子核构成的材料，固体的或者是气体的，制成需要的靶子，以备使用。还有一个不可缺少的条件就是需要有探测粒子和原子核的设备，根据需要，其结构由简单的一个探测器，或是几个探测器的组合，更复杂的是由几种不同类型的探测器组合起来的鉴别系统，如超重核的鉴别系统。

在国际上具备上述条件的核物理实验室有美国的伯克利实验室、俄罗斯的杜布纳核物理实验室、德国达姆施塔特重离子研究所、中国科学院近代物理研究所、中国原子能科学研究院、日本理化研究所、密歇根州立大学-美国能源部联合研究室等。这些实验室不仅具备很好的实验设备，还集中了一批优秀的核物理理论和核物理实验学家，每年都有大量科研经费的投入。而且，随着核物理研究的发展，这些实验室都在不断地发展和更新相应的设备，以便能向更新的目标进发。例如，最初只有简单的高压倍加器，只能提供低能的轻粒子(质子，氘粒子和α粒子)束流，但是，这对于研究同样一种元素的更丰中子，或者更丰质子的新核素是不够的，于是就发展了重离子(比Li离子重的各种离子)加速器。在合成超重新核素时，由于反应截面非常小，因此，需要更强的束流强度，为此，发展了强流重离子加速器，能够提供的束流强度可以是原来的几十倍，甚至上百倍。俄罗斯杜布纳原子核核物理实验室的加速器可以提供的48Ca—由 20 个质子和28 个中子组成，是钙元素中质子数最多的稳定同位素，束流强度达到约2×1012个每秒，一般的加速器只能达到约1010个每秒。同时还投入几千万的资金建设大型复杂的探测设备，如俄罗斯的超重谱仪，美国的 GRETA γ谱仪(由 30 个田字型γ探测单元和 10个γ能量跟踪探测单元组成)等。

02

与核反应有关的一些名词说明

质心坐标系：

以两个相互碰撞原子核的质量中心为原点的坐标系。通常实验者进行核反应研究时，会将待轰击的靶子竖直固定在一个真空室的中心位置。以这个位置为原点，以炮弹前进的方向为Z轴，X轴在水平面。Z-X 之间的夹角记作θ，Z-Y 之间的夹角记作ϕ。这样的坐标系就是所谓的实验室坐标系。在这个坐标系中，可以很方便地记录炮弹的能量，核反应过程中发射各种粒子的总数及其分布等。但是，在讨论理论问题时，就有些麻烦，例如，炮弹与靶原子核接粘在一起后，还会运动一段时间，并在运动中发射粒子，计算粒子的能量和角度时需要考虑这些因素。因此，为了理论计算的方便，就建立了质心坐标系，即以炮弹和靶原子核的质量中心为坐标原点，以炮弹的运动方向为 Z 轴方向的坐标系。用一套公式，可将实验室坐标系的测量数据转换为质心坐标系的数据。

两个原子核的相互作用势：

原子核都是带电的，因此，当两个原子核相互接近时，在很远距离上就会感到库伦排斥作用(VC=Z1Z2/(4πε0R))。由于核力的存在，在原子核周围也存在核势场。所以，当两者非常靠近时，两个核会受到核势(VN)的吸引作用。我们还知道，当入射弹核在靶核附近经过时，就会产生相对角动量，而且瞄准距离不同，形成的角动量也不同，这个角动量称为轨道角动量(L(l ħ))，也就有相应的轨道角动量势能(VL=l(l+l)ħ2/μR2)。因此，当弹核与靶核碰撞时，存在的总相互作用就是这三种势的总和(VC＋VN＋VL)(见图 5)。图 5 中的细黑线是 VC+VN+VL(l=0)的总和。可以看出，这条线上有一个洼坑，坑的右边是一个较为平坦的峰，通常称为熔合位垒，即弹核的有效能量高于这个位垒时，才能顺利地更加接近靶核，掉进势能曲线的坑中，与靶核发生熔合。图5中还有一条虚的总势能线，这条虚线上有一个平台。这条势能线对应的角动量称为熔合反应的临界角动量。当入射角动量高于临界角动量的入射弹核就不能与靶核熔合在一起。

图5 原子核之间的作用势

反应截面：

简单说就是炮弹核与靶原子核发生碰撞的概率。假设单位面积上只有一个靶原子核，一个炮弹粒子轰击这一单位面积时，与这个靶原子核撞上的概率就是反应截面。实际实验时，已知单位面积上的靶原子核数为N，测定在一定时间内入射到单位面积上的炮弹数目(I )，以及发生反应的数目(N')，一般用σ表示反应截面(概率)，则σ=N'/IN。如果面积的单位用cm2，则定义1靶(ban)=10-24cm2。如果将某个原子核作为靶心，炮弹距离靶心的垂直距离称为碰撞参数(b)或瞄准距离。不同数值的b对应不同的环面积，炮弹落入的概率也不同。同样速度的炮弹，从不同的 b 经过时，它对应的轨道角动量 L 也不同(L 是量子化的，用 l ħ表示，l=0，1，2，……)。如果将b 也量子化，L 与 b 的关系是：L=bμυ，其中，μ是炮弹的折合质量，υ是炮弹的质心速度。

图6 反应截面示意图

核反应中的守恒定律：

强调一下，这里所说的核反应是指炮弹核的能量不是非常高，最高也仅能将原子核敲碎，而不将核子(质子和中子)激发从而产生其他基本粒子；再一个是核反应过程不包括反应后生成物的衰变过程。

大量实验表明，在原子核反应过程中，反应系统遵守以下几个守恒定律：

总电荷数守恒：反应前后系统的电荷数不变。

总质量数守恒：反应前后总的核子数不变，尽管会有中子和质子重新组合，但总的数目不会增加或减少；

能量守恒：反应后系统的总能量(静止能量和动能)虽然会进行重新分配，但是其总量与反应前相比，不会有任何改变；

动量守恒：反应前后的总动量不会发生变化。

角动量守恒：炮弹核和靶核都会有自旋角动量，而且，弹核入射时也具有轨道角动量，这两者之矢量和是反应前的总角动量。反应后的总角动量是，各种产物的自旋角动量和它们之间相对运动的轨道角动量的矢量和。反应前后的总角动量相等。

宇称守恒：即对于每一种类型的核反应，体系总的宇称保持不变。这也限制了产物核之间相对运动的轨道角动量的取值范围。

03

原子核碰撞的不同过程——核反应类型

物质都是由原子构成的。尽管原子之间基本上都是相邻的，但是，一个原子的尺寸是原子核的上万倍。因此，炮弹核在靶物质(一般都是很薄的)穿行时，除部分与核外电子相碰撞，产生自由电子，而降低速度外，绝大部分则是自由通过。只有极少的炮弹核能在靶原子核附近通过。弹核与靶原子核的瞄准距离不同，弹核与靶核相互作用的过程也不相同。

以瞄准距离计算，从远到近，相互作用过程可分为以下几种：弹性散射；库伦激发；非弹性散射；少数核子转移反应；深部非弹性散射；复合核反应；

图7 弹核的出射轨道与碰撞参数发关系

影响核反应的重要因素有三个：反应系统中原子核的质量、弹核的速度和瞄准距离。这三个因素可以归结到角动量L(=bμv)中。从角动量的角度考察各种反应截面的分布可给出如图8的样子。量子隧穿效应使得不同反应交界处呈现出缓慢过渡状态。

图8 各种核反应与轨道角动量的关系

弹性散射：

当炮弹核(带电荷数为Z1)在比较大的瞄准距离上入射时，弹核与靶核(带有电荷数=Z2)之间的相互作用，就像两个带电的小球相碰时那样，只有动量转移，各自的内能都没有变化，也就是说这两个原子核的结构和性质也不可能发生任何改变。库伦散射后，出射的弹核大都集中在入射方向附近，随角度的增加，则以[16sin4(θ/2)]-1的速度下降。能量很低的带电粒子与较重的原子核碰撞时只会发生这种现象(见图9)。

图9 低能α粒子散射角分布

由于核力的存在，当能量比较高的弹核入射时，随着瞄准距离的减小，弹核会受到核力的影响，其轨道偏转情况也会发生相应的变化，不再遵循纯粹的库伦散射轨道。碰撞参数进一步减小时，原子核之间的相互作用(吸引)增强，导致弹核将少量的动能转移给靶核，甚至在弹核和靶核之间有少数核子的转移。这就使得弹性散射截面与纯粹库伦散射相比，会很快下降。通常，实验人员在不同角度上测得弹核的散射截面，并将实验测量截面与理论计算的库伦散射截面进行比较，从而给出两者的比值图(见图10)。对于一个碰撞系统，从弹性散射角分布的比值可以看出，比值下降发生的角度与入射弹核的速度(能量)有密切关系。从经典力学的角度来看，弹核速度的增加相当于在靶原子核附近的线速度增大，在同样作用力的影响下，偏转角度变小。也就是说，炮弹核的速度越快，其能够被散射的弹核就越集中于入射方向附近。反过来说，只有瞄准距离较大的弹核才能与靶核发生弹性散射，随着瞄准距离的减小，发生弹性散射的几率就变得越来越小。

图10 不同能量的16O在208Pb上散射的角分布

通过弹性散射截面的测量，并与理论计算相比较，可以确定弹核与靶原子核之间的核作用势(VN(r)，常用伍兹-萨克森光学势的形式{(V+ iW) [1+exp(r-R)/a]-1}表示)，以便为核反应截面的理论计算提供重要的原子核之间的核相互作用。另外，通过弹性碰撞的测量也可以得到弹核与靶核相切的距离，从而更准确地获得弹核与靶核之间发生转移反应的瞄准距离。

核结构对弹性散射有一定的影响。例如，晕核11Li 是由核芯9Li 和两个晕中子结合而成，且两个晕中子的结合能非常小。如果利用11Li 作为弹核，当它和靶核接近时，由于库仑场的作用，两个晕中子就有可能离开核芯9Li，使得其弹性散射截面更快地偏离库伦散射。

图11 9Li+208Pb 和11Li+208Pb 的弹性散射角分布

库伦激发：

如果入射弹核的能量较低，不能穿过库伦位垒(除了隧穿效应外)，由于弹核与靶核(特别是两个较重的原子核之间)存在库伦相互作用，会使靶核或者弹核吸收虚拟的γ射线，从而被激发到较低的能量状态。但是，接近光速的弹核在靶核旁边经过时，也会产生非常强的电磁场，也会使弹核或靶核获得非常高的激发能。

非弹性散射：

当弹核对靶核的瞄准距离比较小时，除了会发生弹性散射以外，还会将其部分动能转换为靶核或者弹核本身的内能，使它们处于激发状态。这种过程称为非弹性散射。

当实验测量弹核的弹性散射能谱时，在稍低于弹核能量的位置上会出现一些能量峰(见图 12)，这就是非弹性散射峰。

图12 18O与58Ni 核发生非弹性散射时，18O和58Ni 核的激发能谱(a)及角分布(b)

转移反应：

当炮弹核对靶核的瞄准距离更近时，特别是弹核与靶核相切，或者稍有重叠，两者之间就会发生核子转移。在此过程中，由于弹核与靶核有短暂的接触时间，在这一短暂的时间内，不仅发生了能量转移，同时也会发生核子转移。转移核子的多少，有很多因素在起作用。例如，瞄准距离，弹核速度，两个核的内部结构等。转移核子越多，其转移概率越小，但是核结构的影响会使这一特点发生较大的变化。

1974 年当我们在用较低能量的12C 轰击197Au 时测量出射α粒子的角分布时，发现α粒子的角分布不是我们预想的各向同性(来自复合核蒸发)那样，而是与转移反应出射粒子的角分布相似。后来进一步实验测量证实，这些α粒子确实是来自12C 向靶核转移8Be 后出射的，而且转移的几率比转移一个核子的概率要大得多。后来，又利用不同能量的12C离子轰击209Bi 原子核，测量了转移8Be 的截面，以及转移后生成核(217Fr)退激发及随后α衰变成211At 的截面，进一步证实了8Be 转移具有很大的概率。原因在于12C 可以认为是由在同一平面上的 3 个α组成，其中2个α(或8Be)与靶核结合的概率更大些。在利用14N 核轰击同样的靶核时，转移10B 的截面就要小许多。利用12C 轰击不同的靶原子核，其转移8Be 的截面也因靶核结构的不同而有较大的差别。例如，在有效能量几乎相同的情况下(约 64 MeV)，12C 轰击靶核159Tb 时，转移8Be 的截面仅有大约 89 mb，而轰击天然Ag 时，却高达 150 mb。即使利用12C 轰击不同的同位素靶核，例如112Sn 和124Sn，其转移截面也有较大的区别(见图13)。这说明靶核的结构对多个核子的转移也有明显影响。

图13 大质量转移及其手靶核结构的影响

深部非弹性散射：

当利用比较重的炮弹核，例如40Ar 轰击重的靶核，例如 Au 时，如果瞄准距离较小，使得弹核与靶核有一定的接触，甚至有一定重叠，会发生另外一种现象，称为深部非弹性碰撞，即弹核与靶核会粘在一起，并会转动一定的角度，同时有较多的能量损失和较多的核子转移。后来发现，即使在比较轻的核反应系统中，如16O 轰击28Si，也会有这种现象。有人用一个图对这种现象作了形象的描述(见图14)。

图14 深部非弹性散射示意图

总之，当弹核与靶核的距离非常接近，或者稍有重叠，由于弹核和靶核的部分核子之间的相互作用，甚至核子集团与核的相互作用，能够发生核子的转移。核子转移并不是单向的，靶核中的核子也可以转移到弹核中。核子转移的同时，也携带了本身的具有的能量。

全熔合反应：

当弹核的瞄准距离进一步减小，弹核的能量也比较合适时(低于临界角动量所对应的能量)，弹核就有一定的概率与靶核熔合在一起，形成一个内能比较高、不稳定的新原子核，它的总核子数等于弹核与靶核核子数的总和，而且弹核的有效动能全部转变为新原子核的内能。这个新原子核被称为复合核。复合核对它的形成过程没有记忆，只知道自己有多少核子，有多高的激发能，至于来自何处，完全忘记。

复合核形成的概率会受到各种因素的影响。比如，弹核的能量，弹核或者靶核的结构，甚至复合核的结构等。随着入射能量的增加，熔合截面呈指数增加，当弹核的能量比反应系统的库伦位垒高很多后，就会逐渐趋于饱和(临界角动量的限制)。当入射弹核的能量非常低时，熔合反应概率会非常小，受到各种因素(核结构等)的影响也会非常明显，实验测量也变得非常困难。这也促使科研人员创造出各种特殊的技术和设备，以获得所需结果。特别是非常低能的轻粒子，以及12C、14N、16O、28Si 等核素轰击不同靶核时的熔合截面，在天体核合成和超重元素合成中具有非常重要的作用，人们非常重视对它们的研究。

通常，由于复合核的热能比较高，非常不稳定，在极短的时间内会通过发射多个中子和γ射线而形成稳定的余核，有时会发射中子和其他少量的轻带电粒子，如质子，氘核和α粒子，以及γ-射线等，将自己的多余的热量消耗掉，从而变成一个稳定的原子核。

图15 复合核形成及其蒸发粒子示意图

图16 熔合截面与弹核能量和靶核的关系

如果复合核包含的核子数很多，也就是非常重时，除了发射粒子退激发外，还会发生裂变，称为熔合裂变。熔合裂变的几率随着复合核的质子数的平方与其质量的比值(Z2/A)和激发能的增加都会增加。通常用Γf表示复合核裂变概率，用Γn表示产生蒸发中子余核的概率，从这两个概率的比值大小可以看出复合核裂变的容易程度(见图18)。熔合裂变与自发裂变的区别在于，复合核的温度要比自发裂变核的要高，因此，熔合裂变碎片质量分布更接近对称分布。熔合裂变前会发射粒子，特别是发射中子。如果温度很高，在裂变前会发射更多的中子。熔合裂变后的碎片也会有一定的激发能，可通过发射中子和γ射线趋于稳定。重离子反应形成复合核时，随着复合核激发能的增加，复合核裂变的几率会很快增加，特别是当复合核的质量数非常大时，甚至于几乎全部都发生裂变，只有极少的复合核能够通过发射中子(轻离子)和γ射线退激发，最终成为一个稳定的重余核。当非常重的两个核碰撞时，虽然瞄准距离小，也是接触后即裂开，而不可能形成复合核，这一过程也为准裂变。

图17 复合核裂变示意图

图18 复合核裂变与蒸发概率之比随其Z2/A 的变化

在重离子反应中形成的复合核通常都具有较高的自旋角动量。在粒子发射时，会随之带走一些角动量，但是，当剩余的激发能不够蒸发一个粒子时，或者对于重核不能发生裂变时，发射γ退激就是它唯一的退激发方式。实验发现，在37Cl轰击120Sn生成的复合核156Dy，在蒸发 3~4 个中子后，仍然具有高达 130ħ的角动量。也就是说153Dy(或152Dy)原子核可处于变形非常大的状态。

复合核的退激发过程有长有短，特别是重核裂变过程是一个比较慢的过程。复合核退激过程最长可以达到 10-16秒，也就是说，复合核的寿命最长约10-16秒。

放射性原子核，或称为不稳定原子核，相比同种元素的稳定核而言，它的中子数比较多，或者是中子比较少。用这些原子核作为炮弹核引起复合核反应时，所形成的复合核会多一些中子，或者少一些中子。如果放射性弹核具有晕结构，或者最后一个或两个核子的结合得比较松散，那么，能够形成复合核的概率与稳定的弹核相比就会有明显的差别。当这类不稳定弹核接近靶核时，由于库伦势和核势的作用，弹核的核芯与外围核子有概率会首先分开，这样，在本应该形成复合核的瞄准距离上入射，就有可能不再形成复合核，即复合核的形成截面就可能会降低。但是，实验结果表明，弹核能量较高时，并没有明显的影响。

总之，当弹核与靶核碰撞时，不同入射能量、不同瞄准距离会引起各种各样的核反应。核物理实验中，每秒钟就会有成千上万亿个弹核冲向靶子。相对弹核而言，靶子上靶核之间的距离实在是太大了。因此，绝大部分弹核不会与靶核碰撞而直接穿过靶物质，剩下的弹核，除了大部分与靶核发生弹性散射外，仅有小部分弹核在不同瞄准距离上与靶核相撞而发生各种核反应。即使这样，每秒还是会产生出大量的核反应产物。如何将大量的出射产物按照不同的核反应区分开来，就成了实验者首要研究和发展的问题。长期以来，核物理实验人员根据不同的实验目的，发展出了许多有针对性的实验探测设备和方法，从而能成功地完成实验。

高能量入射弹核引起的核反应：

高能量弹核轰击靶原子核时，除了前面说过的核反应外，还可能发生许多新的核反应现象。早年利用高能质子轰击较重的靶核时，会产生散裂反应。原因在于质子的质量小，但是，当高能质子击中靶核时，它会在靶核中不断地与靶核内部的核子碰撞，被碰到的核子也得到一定的能量，从而会与其他核子碰撞。当然，入射质子也损耗了自己的动能。这样，高能入射质子除了有很小的概率在碰撞一两次后跑出靶核外，大部分都会通过不断碰撞将自己的动能全部转变为靶核的热能，自己也被靶核吸收，使得靶核的温度在瞬间急剧上升，从而导致靶核四分五裂，产生非常多质量不等的核碎片(见图 19)。

图19 散裂反应示意图

如果较重的高能弹核轰击靶核，当瞄准距离稍小时，弹核与靶核有部分重叠，未重叠的部分会与重叠部分分离，形成新的原子核碎片，并基本上以原来的速度继续向前飞行，同时也会发射几个粒子，使本身稳定下来。这一过程被称为弹核碎裂反应。弹核与靶核碰撞时，由于重叠程度不同，弹核碎裂后形成的新原子核也有轻有重，各不相同，有非常缺中子的，也有非常丰中子的。如果弹核和靶核都是丰中子的，弹核碎裂后，产生丰中子原子核的几率就会大些，反之也一样。弹核碎裂的产物质量分布与炮弹核的速度有关，速度越高，碎裂的产物质量分布越广，非常丰中子或缺中子的碎片产额也会更大一些。这一过程可以用来产生新的放射性核素，特别是丰中子新核素。例如德国的重离子物理实验室利用每个核子 1000 兆电子伏的238U与Ti原子核碰撞，一个实验下来就可观察到几百种核素，而且有许多是非常丰中子和非常长缺中子的核素。自从 1985 年利用弹核碎裂反应发现11Li 等一些核具有晕结构以来，从理论和实验上对这种核过程进行了许多研究，还建立了专门的次级束流线实验设备，通过这种核反应产生和研究了上千个新的核素，并选择有较大产额的不稳定核素，使其形成新的放射性核束流，用来研究或合成更丰中子的新核素。

图20 弹核碎裂示意图

瞄准距离很小的高能重离子轰击靶核时，也会被靶核俘获，形成一个非常“热”的原子核，随后就发射许多核子或轻的离子，最后形成一个稳定的原子核；或者发射一些粒子后，分裂成三个碎片。当然，这些过程都是在瞬间发生的。通过实验研究发现，当一个“热”的原子核的激发能达到约3 MeV/A时，就会同时裂开成为三个碎片。如果进一步增加热量，热核就会碎裂成更多质量更小的碎片。当一个原子核系统的激发能更高时(大约 5 MeV/A 以上)，它可以像水一样，发生液—气相变，从液态慢慢地变为气态(核子和轻离子的混合物)。但是，原子核反应是一个非常复杂的过程，不同能量和不同质量的弹核被靶核俘获时，所形成的热核的热量(温度)和压强不同，最后表现出的结果也不可能相同。要测量原子核的液—气相变，就要同时获得其温度和热量。实验中可以用不同的处理方法获得热核的温度，使用不同的处理方法，其结果也会不同。所以，原子核的相变测量不会像测量水的相变那么简单明了。这些研究对理解中子星内部的性质很有帮助。

图21 原子核的量热曲线

图22 “热”核裂成三个碎片过程的示意图

如果两个非常接近光速的原子核对头相撞，例如每个核子100 GeV的两个Au原子核对头相撞(称为对撞)，就会形成一种新的物质状态——夸克—胶子等离子体。实验结果表明，目前实验形成的这种物质的温度极高，达到了 150 MeV 上下(约 1.8×1012K)，比较粘稠，有点像液态。通过相对论能量的重离子碰撞，也可以产生各种高能的粒子和超核。特别是通过 Au-Au 对撞，发现了反4He 核——包含2 个反质子和 2 个反中子的原子核，成为寻找反物质路上的重要里程碑。

图23 反物质粒子谱

中子引起的核反应：

1932 年以前，科学家都以为原子核是由中子和电子组成的。在1932年，一个名叫卡德威克的物理学家用α粒子轰击铍时，探明有12C 产生，但是“从碰撞过程中能量守恒和动量守恒来看，很难解释这一结果。如果还有另外一个质量数为1，电荷为0的产物——中子生成，困境就烟消云散了”。由此可知原子核是由质子和中子组成的。

由于中子不带电，因此，中子不仅可以在核上发生非弹性散射，同时，由于没有库伦散射，即使中子的能量非常低，也会引起核反应，如热中子——能量约0.025 eV(速度约2200 m/s)，同样会引起一系列的核反应，如235U 吸收热中子发生裂变，这是裂变反应堆的热量来源，发展出了今天的核电站。更高一些能量的中子就可以引起238U 和其他重核的裂变，且随着中子能量的升高，重核吸收中子后裂变为质量近似相等的两个碎片的几率会更大。中子与靶核碰撞时，产生复合核的截面与中子的能量有关。在中子能量低时，靶核吸收中子的截面与中子速度的倒数成正比；当中子能量相对较高时，靶核吸收中子的截面就等于中子看到的靶核的面积。

图24 高能中子诱发238U裂变碎片质量分布

总之，原子核之间的碰撞，除了弹性散射外，可以引起各种各样的原子核反应，包括库伦激发、非弹性散射、核子转移、深部非弹性散射，以及复合核反应等。到底会发生哪种核反应，取决于反应系统的弹核与靶核的组合(包括它们的质量、结构和形状)、弹核入射能量、瞄准距离等因素。发生核反应后，会产生各种各样的反应产物，包括各种轻的粒子，如γ射线、中子、质子、氘核、氚核、α粒子，以及各种原子核。这些产物原子核中有缺中子的也有丰中子的不稳定原子核，有的还会(暂时)处于不同的自旋状态，甚至是非常高的自旋状态，随后通过发射γ射线回到其基态(能量最低状态)。通过对核反应产物的分布和性质，以及产物核性质的测量，可以判断原子核的内部结构和性质。例如，通过测量反应生成的高自旋状态原子核退激γ射线，可以得知原子核的内部结构，通过测量放射性原子核的放射性也可得知它们的核性质。测量不同核反应的截面，特别是非常低能量的质子、α粒子和较轻的重离子与其他原子核，特别是非常缺中子和非常丰中子的原子核发生反应的概率，会为天体演化和其他学科的研究，特别是核技术应用提供必要的依据。

作者：靳根明

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来源：现代物理杂志

编辑：阿泊

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