Füzyon, Fisyon ve Multifragmentasiyon

... konulu sunumlar: "Füzyon, Fisyon ve Multifragmentasiyon"— Sunum transkripti:

1 Füzyon, Fisyon ve Multifragmentasiyon
Nükleer Reaksiyon II Füzyon, Fisyon ve Multifragmentasiyon Tutay

2 Fisyon ve füzyon Eğer çekirdek reaksiyonu, (A=200) örnek olarak 235U çekirdeğinin parçalanması gibi olursa, biz bu reaksiyona fisyon (Fisson) diyoruz. Yani ağır çekirdek iki hafif çekirdeğe bölünüyor ve enerji açığa çıkıyor. Eğer yukardaki reaksiyonun tersi olursa, bunu da çekirdek füzyonu diyoruz. Yani hafif iki çekirdek yeni ağır bir çekirdek oluşturur. Tutay

3 235U+n(236U)* f1*+f2*+n (n=2,5)
Fisyon: Otto Hahn ve Fritz Strassmann 235U i bir n ile bombardıman edilmesiyle fisyon reaksiyonunu gördüler. Örnek:Yavaş nötronla 235U bombardımanı. 235U+n(236U)* f1*+f2*+n (n=2,5) Tutay

4 Nükleon bağlanma enerjisi: (A=238) Eb=7,6 MeV ve
Çekirdek niye bölünür? Nükleon bağlanma enerjisi: (A=238) Eb=7,6 MeV ve (A=119) Eb=8.5 MeV dir. Daha sıkı bağlı sistemde enerji açığa çıkar. -238x7.6 = MeV (238U) -2x119x8.5= MeV (2 adet 119Pd) Coulomb itme gücü ile parçalanır. Tutay

5 238U iki 119Pd çekirdeği halinde bulunabilir
238U iki 119Pd çekirdeği halinde bulunabilir. Ama Coulomb engelini aşamaz. Ec=(1.44 MeVfm) [(46) fm] = 250 MeV Q=214 MeV Eğer iki çekirdek 79Zn ve 159Sm gibi kütle oranı 2:1 olsaydı Ec=221 MeV olurdu. Fisyon A=300 sıfıra gider. Başlangıçta fisyon ürünleri radyoaktif olduklarından  veya  yayınlayarak kararlı izobarlara bozunurlar. 141Cs141Ba 141La 141Ce 141Pr (25s 18dk 4h 33gün) Tutay

6 Z  92 olan ağır çekirdeklerde anlık bölünme olur.
Ağır çekirdeklerde anlık bölünme bir nötron reaksiyonu ile de olur. 235U+n236U*93Rb+141Cs +2n 235U+n236U*X+Y+n; >1 235U bölünme enerji büyüklüğü 5.3 MeV 238U bölünme enerji büyüklüğü 5.9 MeV Tutay

7 Fisyon özelikleri: Fisyon enerjisi:
İki fisyon ürünün kütlesi oranı simetriktir. A1A2 olasılığı A1 95 ve A2 140 göre 1/600 dır. Yayımlanan nötronların sayısı: Deneysel olarak gözlenen: 233U için n=2,48 235U için n=2,42 239Pu için n=2,86 dır. Fisyon enerjisi: Termik bir enerjiye sahip bir nötron (yavaş nötron), Ek=0,0253 eV ve T=293 K ‘ne sahip olduğunda bir fisyona yol açar U+n 236U* Tutay

8 (239U aktivasyon enerjisi =6.6 MeV)
236U* Uyarılma enerjisi Euy= [m(236U*)-m(236U)]c2 M(236U*)=m(235U)+mn=236, u E*=(236,052589u u) MeV/u E*=6,5 MeV (236U aktivasyon enerjisi =6.2 MeV) 238U+n 239U* E*=4,8 MeV (239U aktivasyon enerjisi =6.6 MeV) Tutay

9 İki hafif çekirdeğin nükleer reaksiyon sonucu ağır bir çekirdek oluşturmasına füzyon denir.
Örneğin bir 40Ca oluşturmak için iki 20Ne gereklidir. Ec=21.2 MeV , Q=20.7 MeV dır. Reaksiyon gözlemlemek için Ec yi aşmak gerekir. Ya hızlandırıcıyla ya da termonükleer füzyon elde etmek için 20Ne gazını ısıtmak gerekli. Tutay

10 Temel füzyon reaksiyonları:
En temel reaksiyon: p+p2He (2He kararsızdır) Güneşteki reaksiyon: 2H +2H4He +; Q=23.8 MeV Gerçekleşmesi mümkün olan reaksiyonlar: 2H +2H3He+n; Q=3.3 MeV 2H +2H3H+p; Q=4.0 MeV D-D (döteryum- döteryum) reaksiyonu denir. 2H +3H4He+n Q= 17.6 MeV (D-T reaksiyonu) Burada n=14.1 MeV enerjiye sahip (nötron kaynağı) Tutay

11 Güneş termonükleer bir reaktördür (109 yıl).
Güneş Füzyonu: Güneş termonükleer bir reaktördür (109 yıl). Hidrojen 4He dönüşüyor. Evrende hidrojen bol bulunur (%90) ve %1 4He. 1H +1H2H+e++ Q=1.44 MeV (güneşte 1056p) olur sonra 2H +1H3He+ Q=5.49 MeV olması mümkün. 1018 p karşılık 1 D  p, p etkileşmesi olanağı 1018 dir. Yani D oluşunca hemen 3He meydana getirir. 3He, protonla reaksiyona girmez. Kısaca 3He başka bir 3He bulup reaksiyona girene kadar bekler. Tutay

12 3He , p ile reaksiyona girmez.
3He in d ile reaksiyonu da olası değildir. (d çabucak 3He dönüşür.) 3He+3He4He+2 1H+ ; Q=12.86 MeV Proton-proton reaksiyonu 41H 4He+2e++2 net olarak 41H 4He ve Q=26.7 MeV Nötrino () direkt bize ulaşır. Tutay

13 3He için başka bir yol ;  parçacığı ile reaksiyona girer:
3He+4He7Be+ ve aşağıdaki reaksiyonlardan biri ile devam eder. 1) 7Be+e-7Li+ 2) 7Li+p 2 4He 7Be+p 8B+ 8B  8Be+e++ 3) 8Be  2 4He Sonuç: 3 şekilde Q değeri aynı ve net reaksiyon da aynı. Tutay

14 Bir yıldızda ağır elementler varsa füzyon olabilir. CNO çevirimi.
12C(p,)13N(e+)13C(p,)14N(p,)15O(e+)15N(p,)12C 12C ne oluşturulabilir ne de yok edilir. 12C bir katalizör gibi davranır. Not: Net reaksiyon 4 1H 4He+2e++2 gibidir ve Q değeri de aynıdır. Yeryüzüne ulaşan güneş ışını 1,4 103 W/m2 Güneşte toplam ışınma 4x1026 W dır. Tutay

15 Her füzyon reaksiyonunda 25 MeV enerji üretilir.
Saniyede 4x1038 p tüketilir. 1038 reaksiyon gerçekleşir. Güneş in yakıtı 1010 yıl devam edecek yeterliliktedir. Tutay

16 burada alfa ile reaksiyon son bulur.
Bir yıldız sahip olduğu hidrojeni tüketirse hidrojen yerine helyumun füzyon reaksiyonu başlar. 34He12C gerçekleşir. 4He+4He  8Be 8Be(,)12C Bunun dışında 12C(,)16O veya O(,)20Ne burada alfa ile reaksiyon son bulur. Tutay

17 Eğer 12C biterse 2x109 K sıcaklıkta 16O yanmaya başlar Si ve S biter.
Bunun dışında 12C+12C 20Ne+ veya 23Na+p 23Mg+n Eğer 12C biterse 2x109 K sıcaklıkta 16O yanmaya başlar Si ve S biter. 28Si(,)32S (,)36Ar……52Fe (,)56Ni bağlama enerjisi yüksek çekirdekler oluşur. Tutay

18 Fe in bağlama enerjisi ve Coulomb enerjisi yüksektir.
Bu durumda Fe ve Ni artık enerji üretmiyor. Kollaps olarak supernova patlaması gerçekleştirir. Böylece yeni yıldızlar oluşur. Fe in bağlama enerjisi ve Coulomb enerjisi yüksektir. Tutay

19 Tutay

20 Tutay

21 Tutay

22 Ağır iyonlarda enerjiye bağlı olan reaksiyon çeşitleri.
1) Em  10 MeV ise olabilecek reaksiyonlar: Şart: Em>Vc a) Füzyon b) Derin elastik saçılma c)’’Quasi (tam olmayan) elastik saçılma’’ (TLF: Target Like Fragment) n,p,d, salınımı buharlaşma (PLF: Project Like Fragment) n,p,d, salınımı sıralama 2) Em  10 MeV ise olabilecek reaksiyonlar: a)Preequilibrium bileşik çekirdek oluşmadan önce n,p,d, salınımı b)Fisyon, c) Füzyon ve tam olmayan füzyon (hcsor) 3) Em  20 MeV ise olabilecek reaksiyonlar Multifragmentasiyon (MF) dur. Tutay

23 Fermi Gaz modeline göre E*=aT2 MeV Burada
E*: uyarılma enerjisi, T:ısı a sistemin yoğunluk parametresi a=A/8 MeV-1 T=5 MeV bir anormalik var Faz geçişi gibi algılanabilir. Çekirdek sıvı fazdan gaz fazına geçiyor gibi. Tutay

24 Gross modeline göre Multifragmentasyon: Eğer uyarılma enerjisi
Em20 MeV/N ise ve bileşik çekirdeğin ısısı T=5 MeV ise bu durumda bileşik çekirdek fisyon yerine multifragment (bölünme 3 veya daha büyük sayıda) çekirdek parçalanması olur. Şekil de E:Buharlaşma (A10 1x), F:Fisyon (A10 2x), ve C:Multifragmentasyon (A10 3x), temsil ediyor. Tutay

25 Orta ağırlıklı kütle parçalanması
Çekirdek yeterli E* (uyarılma enerjisi) sahip ise Maxwell dağılımına uyum göstererek bozunur. F(Erel)=(Erel-Ec)exp(-Erel/T) Erel: iki parçacık arasındaki enerji Ec :Coulomb enerjisi T :Salınımı yapan sistemin ısısı Tutay

26 Tutay

27 Tutay

28 12C ile 4He arasındaki relatif enerji dağılımı 16O
12C ile 4He arasındaki relatif enerji dağılımı 16O*12C +4He Erel = (μ / 2) V²rel ; V²rel = V²IMF +V²α – 2*VIMF Vα Cosθ μ = azaltılmış kütle, θ = 12C ile α arasındaki açı

29

30 Laboratuvar sisteminden merkezi sisteme (CM) geçmek için Jacobian dönüşümleri gereklidir.   WQCM = WQLAB . J, J: Jacobian Faktörü   J = (μ1,2 / mj).[(M/m2) .( 1 - (v1/v2) .cos(θ2-θ1) – (M /m1).(1- (v2/v1).cos(θ2-θ1))]

31

32 Tutay

33 İki orta ağırlıklı fragment (IMF) arasındaki salınım zamanı yardımım ile iki fragment eşzamanlı olup olmadığına bakılır. Eğer iki IMF kısa bir zaman aralığında salınıyorlarsa, bunlar arasındaki relatif hız dağılımı:   1 + R(Vrel) = Ncor(Vrel) / Nuncor(Vrel)

34 Ncor: Eşzamanlı gelen IMF ler
Ncor: Eşzamanlı gelen IMF ler. vrel : İki IMF arasındaki relatif hız Nuncor: Eş zamanlı olmayan IMF ler. Vred = Vrel / (Z1+Z2)1/2

35 İki IMF arasındaki korelasiyon ilişkisi: IMF1. IMF2 θ = 23,5°
İki IMF arasındaki korelasiyon ilişkisi: IMF1 IMF2 θ = 23,5° θ=14°, 18.5°, 23.5° 12C Li, Be, B, C 11B Li, Be, B, C  

36 Projectil direct two IMF’s or PLF sequential PLF
Projectil direct two IMF’s or PLF sequential PLF*  IMF1 + IMF2 (Δt = 0) or   PLF*  IMF1 + IMF2* and   IMF2* repeat IMF2*  IMF2i + Li(Be)   If IMF Li or Be is possibly that more time decay in IMF’s Δt > 0