Sección transversal nuclear

Concepto en física de partículas.

La sección transversal nuclear de un núcleo se utiliza para describir la probabilidad de que ocurra una reacción nuclear. ^{[1] [2]} El concepto de sección transversal nuclear se puede cuantificar físicamente en términos de "área característica", donde un área más grande significa una mayor probabilidad de interacción. La unidad estándar para medir una sección transversal nuclear (denotada como σ ) es el granero , que es igual a10 ⁻²⁸  m ² ,10 ⁻²⁴  cm ² o100 fm ² . Las secciones transversales se pueden medir para todos los procesos de interacción posibles en conjunto, en cuyo caso se denominan secciones transversales totales, o para procesos específicos, distinguiendo dispersión elástica y dispersión inelástica ; de estas últimas, entre las secciones transversales de neutrones, las secciones transversales de absorción son de particular interés.

En física nuclear es convencional considerar las partículas que chocan como partículas puntuales que tienen un diámetro insignificante. Se pueden calcular secciones transversales para cualquier proceso nuclear, como la dispersión por captura, la producción de neutrones o la fusión nuclear . En muchos casos, el número de partículas emitidas o dispersadas en los procesos nucleares no se mide directamente; simplemente se mide la atenuación producida en un haz paralelo de partículas incidentes por la interposición de un espesor conocido de un material particular. La sección transversal obtenida de esta manera se llama sección transversal total y generalmente se denota por σ o σ _T .

Los radios nucleares típicos son del orden de 10 ⁻¹⁴ m. Por lo tanto, suponiendo una forma esférica, esperamos que las secciones transversales de las reacciones nucleares sean del orden de o ${\displaystyle \pi r^{2}}$10 ⁻²⁸  m ² (es decir, 1 granero). Las secciones transversales observadas varían enormemente: por ejemplo, los neutrones lentos absorbidos por la reacción (n, ) muestran una sección transversal muy superior a 1.000 graneros en algunos casos (boro-10, cadmio-113 y xenón-135 ), mientras que las secciones transversales para las transmutaciones por absorción de rayos gamma son del orden de 0,001 barn. ${\displaystyle \gamma }$

Sección transversal microscópica y macroscópica.

Las secciones transversales nucleares se utilizan para determinar la velocidad de reacción nuclear y se rigen por la ecuación de velocidad de reacción para un conjunto particular de partículas (generalmente visto como un experimento mental de "haz y objetivo" donde una partícula o núcleo es el "objetivo", que normalmente está en reposo y el otro se trata como un "rayo", que es un proyectil con una energía determinada).

Para las interacciones de partículas que inciden sobre una lámina delgada de material (idealmente hecha de un solo isótopo ), la ecuación de velocidad de reacción nuclear se escribe como:

${\displaystyle r_{x}=\Phi \ \sigma _{x}\ \rho _{A}=\Phi \Sigma _{x}}$

dónde:

• ${\displaystyle r_{x}}$ : número de reacciones de tipo x, unidades: [1/tiempo⋅volumen]
• ${\displaystyle \Phi }$ : flujo del haz, unidades: [1/área⋅tiempo]
• ${\displaystyle \sigma _{x}}$ : sección transversal microscópica para reacción , unidades: [área] (generalmente graneros o cm ² ). ${\displaystyle x}$
• ${\displaystyle \rho _{A}}$ : densidad de átomos en el objetivo en unidades de [1/volumen]
• ${\displaystyle \Sigma _{x}\equiv \sigma _{x}\ \rho _{A}}$: sección transversal macroscópica [1/longitud]

Los tipos de reacciones que se encuentran frecuentemente son s : dispersión,: captura radiativa, a : absorción (la captura radiativa pertenece a este tipo), f : fisión, siendo la notación correspondiente para las secciones transversales: , , , etc. Un caso especial es el total sección transversal , que da la probabilidad de que un neutrón experimente cualquier tipo de reacción ( ). ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \sigma _{s}}$ ${\displaystyle \sigma _{\gamma }}$ ${\displaystyle \sigma _{a}}$ ${\displaystyle \sigma _{t}}$ ${\displaystyle \sigma _{t}=\sigma _{s}+\sigma _{\gamma }+\sigma _{f}+\ldots }$

Formalmente, la ecuación anterior define la sección transversal macroscópica (para la reacción x) como la constante de proporcionalidad entre un flujo de partículas que incide sobre una pieza (delgada) de material y el número de reacciones que ocurren (por unidad de volumen) en ese material. La distinción entre sección transversal macroscópica y microscópica es que la primera es una propiedad de un trozo específico de material (con su densidad), mientras que la segunda es una propiedad intrínseca de un tipo de núcleo.

Ver también

• Sección transversal de neutrones
• Sección transversal de dispersión

Referencias

1. Younes, Walid; Loveland, Walter (2021). Una introducción a la fisión nuclear . Saltador. págs. 10, 25–26, 56–58. ISBN 9783030845940.
2. Rodas, Richard (1986). La fabricación de la bomba atómica . Nueva York: Libros en rústica de Simon & Schuster. págs. 333–334, 282–287. ISBN 9781451677614.

• Análisis del reactor nuclear por James J. Duderstadt y Louis J. Hamilton - Publicado por John Wiley & Sons, Inc.
• Perkins, Donald H. (1999). Introducción a la Física de Altas Energías . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-62196-0.
• Mubarakmand, Samar ; Masud Ahmad ; M. Anwar; MS Chaudhry (1977). "Medidas de sección transversal con generador de neutrones". El núcleo . 42 (1–2). Nilore, Islamabad: PINSTECH: 115–185.