Reakcja jądrowa (NR) - proces, w którym jądro atomu zmienia się poprzez kruszenie lub łączenie z jądrem innego atomu. Musi więc prowadzić do przekształcenia przynajmniej jednego nuklidu w inny. Czasami, jeśli jądro oddziałuje z innym jądrem lub cząsteczką bez zmiany charakteru jakiegokolwiek nuklidu, proces ten jest określany jako rozpraszanie jądrowe. Być może najbardziej godne uwagi są reakcje syntezy pierwiastków świetlnych, które wpływają na produkcję energii gwiazd i słońca. Reakcje naturalne zachodzą również w interakcji promieni kosmicznych z materią.
Naturalny reaktor jądrowy
Najbardziej godną uwagi reakcją kontrolowaną przez człowieka jest reakcja rozszczepienia zachodząca w reaktorach jądrowych. Są to urządzenia do inicjowania i kontrolowania jądrowej reakcji łańcuchowej. Ale istnieją nie tylko sztuczne reaktory. Pierwszy na świecie naturalny reaktor jądrowy został odkryty w 1972 roku w Oklo w Gabonie przez francuskiego fizyka Francisa Perrina.
Warunki, w których może powstać naturalna energia reakcji jądrowej, przewidział w 1956 roku Paul Kazuo Kuroda. Jedyne znane miejsce wświat składa się z 16 miejsc, w których zachodziły samopodtrzymujące się reakcje tego typu. Uważa się, że miało to miejsce około 1,7 miliarda lat temu i trwało przez kilkaset tysięcy lat, o czym świadczą izotopy ksenonu (gaz będący produktem rozszczepienia) i zmienne proporcje U-235/U-238 (naturalne wzbogacanie uranu).
Rozszczepienie jądrowe
Wykres energii wiązania sugeruje, że nuklidy o masie większej niż 130 a.m.u. powinny samoistnie oddzielić się od siebie, tworząc lżejsze i bardziej stabilne nuklidy. Eksperymentalnie naukowcy odkryli, że spontaniczne reakcje rozszczepienia pierwiastków reakcji jądrowej zachodzą tylko dla najcięższych nuklidów o liczbie masowej 230 lub większej. Nawet jeśli to się robi, jest to bardzo powolne. Na przykład okres półtrwania dla spontanicznego rozszczepienia 238 U wynosi 10-16 lat, czyli około dwa miliony razy dłuższy niż wiek naszej planety! Reakcje rozszczepienia mogą być indukowane przez napromieniowanie próbek ciężkich nuklidów wolnymi neutronami termicznymi. Na przykład, gdy 235 U pochłania neutron termiczny, rozpada się na dwie cząstki o nierównej masie i uwalnia średnio 2,5 neutronu.
Pochłanianie neutronu 238 U indukuje drgania w jądrze, które deformują je, aż rozpadnie się na fragmenty, tak jak kropla cieczy może rozbić się na mniejsze kropelki. Ponad 370 nuklidów potomnych o masach atomowych między 72 a 161 am. powstają podczas rozszczepiania przez neutron termiczny 235U, w tym dwa produkty,pokazano poniżej.
Izotopy reakcji jądrowej, takie jak uran, ulegają indukowanemu rozszczepieniu. Ale jedyny naturalny izotop 235 U występuje w obfitości tylko w 0,72%. Indukowane rozszczepienie tego izotopu uwalnia średnio 200 MeV na atom, czyli 80 milionów kilodżuli na gram 235 U. Przyciąganie rozszczepienia jądrowego jako źródła energii można zrozumieć, porównując tę wartość z 50 kJ/g uwalnianymi w warunkach naturalnych gaz jest spalony.
Pierwszy reaktor jądrowy
Pierwszy sztuczny reaktor jądrowy został zbudowany przez Enrico Fermi i współpracowników pod stadionem piłkarskim Uniwersytetu w Chicago i oddany do użytku 2 grudnia 1942 roku. Ten reaktor, który wytwarzał kilka kilowatów mocy, składał się ze stosu 385 ton bloków grafitowych ułożonych warstwami wokół sześciennej sieci 40 ton uranu i tlenku uranu. Spontaniczne rozszczepienie 238 U lub 235 U w tym reaktorze dało bardzo mało neutronów. Ale było wystarczająco dużo uranu, więc jeden z tych neutronów wywołał rozszczepienie jądra 235 U, uwalniając w ten sposób średnio 2,5 neutronów, co katalizowało rozszczepienie dodatkowych jąder 235 U w reakcji łańcuchowej (reakcje jądrowe).
Ilość materiału rozszczepialnego wymagana do podtrzymania reakcji łańcuchowej nazywana jest masą krytyczną. Zielone strzałki pokazują rozszczepienie jądra uranu na dwa fragmenty rozszczepienia emitujące nowe neutrony. Niektóre z tych neutronów mogą wywołać nowe reakcje rozszczepienia (czarne strzałki). Niektóre zneutrony mogą zostać utracone w innych procesach (niebieskie strzałki). Czerwone strzałki pokazują opóźnione neutrony, które przybywają później z radioaktywnych fragmentów rozszczepienia i mogą wywołać nowe reakcje rozszczepienia.
Oznaczenie reakcji jądrowych
Przyjrzyjmy się podstawowym właściwościom atomów, w tym liczbie atomowej i masie atomowej. Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze atomu, a izotopy mają tę samą liczbę atomową, ale różnią się liczbą neutronów. Jeśli początkowe jądra są oznaczone jako a i b, a jądra produktu jako c i d, to reakcję można przedstawić za pomocą równania, które widać poniżej.
Które reakcje jądrowe eliminują cząstki światła zamiast używać pełnych równań? W wielu sytuacjach do opisu takich procesów stosuje się formę zwartą: a (b, c) d jest równoważne a + b tworzącemu c + d. Cząsteczki świetlne są często skracane: p oznacza proton, n oznacza neutron, d deuteron, α alfa lub hel-4, β beta lub elektron, γ foton gamma itd.
Rodzaje reakcji jądrowych
Chociaż liczba możliwych takich reakcji jest ogromna, można je sortować według typu. Większości z tych reakcji towarzyszy promieniowanie gamma. Oto kilka przykładów:
- Rozpraszanie elastyczne. Występuje, gdy energia nie jest przekazywana między jądrem docelowym a nadchodzącą cząsteczką.
- Rozpraszanie nieelastyczne. Występuje, gdy energia jest przekazywana. Różnica w energiach kinetycznych jest zachowana w wzbudzonym nuklidzie.
- Uchwyć reakcje. zarówno naładowany, jak icząstki obojętne mogą być wychwytywane przez jądra. Towarzyszy temu emisja promieni ɣ. Cząstki reakcji jądrowych w reakcji wychwytywania neutronów nazywane są nuklidami radioaktywnymi (promieniotwórczość indukowana).
- Reakcje transmisyjne. Absorpcja cząstki, której towarzyszy emisja jednej lub więcej cząstek, nazywana jest reakcją przeniesienia.
- Reakcje rozszczepienia. Rozszczepienie jądrowe to reakcja, w której jądro atomu zostaje rozszczepione na mniejsze części (lżejsze jądra). Proces rozszczepienia często wytwarza wolne neutrony i fotony (w postaci promieni gamma) i uwalnia duże ilości energii.
- Reakcje fuzji. Występuje, gdy dwa lub więcej jąder atomowych zderza się z bardzo dużą prędkością i łączy się, tworząc nowy typ jądra atomowego. Cząstki jądrowe syntezy jądrowej deuteru i trytu są szczególnie interesujące ze względu na ich potencjał dostarczania energii w przyszłości.
- Reakcje podziału. Występuje, gdy w jądro uderza cząstka o wystarczającej energii i pędzie, aby wybić kilka małych fragmentów lub rozbić je na wiele fragmentów.
- Reakcje rearanżacji. Jest to absorpcja cząstki, której towarzyszy emisja jednej lub więcej cząstek:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Różne reakcje przegrupowania zmieniają liczbę neutronów i liczbę protonów.
Rozpad jądrowy
Reakcje jądrowe zachodzą, gdy niestabilny atom traci energiępromieniowanie. Jest to proces losowy na poziomie pojedynczych atomów, ponieważ zgodnie z teorią kwantową nie można przewidzieć, kiedy pojedynczy atom ulegnie rozpadowi.
Istnieje wiele rodzajów rozpadu promieniotwórczego:
- Radioaktywność alfa. Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów połączonych cząsteczką identyczną z jądrem helu. Ze względu na bardzo dużą masę i ładunek silnie jonizuje materiał i ma bardzo krótki zasięg.
- Promieniotwórczość beta. Są to wysokoenergetyczne, szybkie pozytony lub elektrony, emitowane z pewnych typów jąder radioaktywnych, takich jak potas-40. Cząstki beta mają większy zakres penetracji niż cząstki alfa, ale wciąż znacznie mniejszy niż promienie gamma. Wyrzucone cząstki beta są formą promieniowania jonizującego, znanego również jako promienie beta reakcji łańcuchowej jądrowej. Produkcja cząstek beta nazywana jest rozpadem beta.
- Promieniotwórczość gamma. Promienie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo wysokiej częstotliwości i dlatego są fotonami o wysokiej energii. Powstają, gdy jądra rozpadu przechodzą ze stanu wysokoenergetycznego do stanu niższego, znanego jako rozpad gamma. Większości reakcji jądrowych towarzyszy promieniowanie gamma.
- Emisja neutronów. Emisja neutronów to rodzaj rozpadu radioaktywnego jąder zawierających nadmiar neutronów (zwłaszcza produktów rozszczepienia), w którym neutron jest po prostu wyrzucany z jądra. Ten typpromieniowanie odgrywa kluczową rolę w sterowaniu reaktorami jądrowymi, ponieważ te neutrony są opóźnione.
Energia
Q-wartość energii reakcji jądrowej to ilość energii uwolnionej lub pochłoniętej podczas reakcji. Nazywa się to bilansem energetycznym lub wartością Q reakcji. Energia ta jest wyrażona jako różnica między energią kinetyczną produktu a ilością substratu.
Ogólny widok reakcji: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), gdzie x i X są reagentami, a y i Y to produkt reakcji, który może określić energię reakcji jądrowej, Q to bilans energetyczny.
Q-wartość NR odnosi się do energii uwolnionej lub pochłoniętej w reakcji. Nazywa się to również bilansem energetycznym NR, który w zależności od natury może być dodatni lub ujemny.
Jeśli wartość Q jest dodatnia, reakcja będzie egzotermiczna, zwana również egzoergiczną. Uwalnia energię. Jeśli wartość Q jest ujemna, reakcja jest endoergiczna lub endotermiczna. Takie reakcje są przeprowadzane przez pochłanianie energii.
W fizyce jądrowej takie reakcje są definiowane przez wartość Q, jako różnicę między sumą mas początkowych reagentów i produktów końcowych. Jest mierzony w jednostkach energii MeV. Rozważ typową reakcję, w której pocisk a i cel A dają dwa produkty B i b.
Można to wyrazić tak: a + A → B + B, lub nawet w bardziej zwartej notacji - A (a, b) B. Rodzaje energii w reakcji jądrowej i znaczenie tej reakcjiokreślone wzorem:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, co zbiega się z nadwyżką energii kinetycznej produktów końcowych:
Q=T końcowy - T początkowy
Dla reakcji, w których następuje wzrost energii kinetycznej produktów, Q jest dodatnie. Pozytywne reakcje Q nazywane są egzotermicznymi (lub egzogennymi).
Następuje uwolnienie energii netto, ponieważ energia kinetyczna stanu końcowego jest większa niż w stanie początkowym. Dla reakcji, w których obserwuje się spadek energii kinetycznej produktów, Q jest ujemne.
Półtrwanie
Okres półtrwania substancji radioaktywnej jest charakterystyczną stałą. Mierzy czas wymagany do zmniejszenia o połowę określonej ilości materii w wyniku rozpadu, a tym samym promieniowania.
Archeolodzy i geolodzy wykorzystują dotychczasowy okres półtrwania na obiektach organicznych w procesie znanym jako datowanie węglowe. Podczas rozpadu beta węgiel 14 jest przekształcany w azot 14. W momencie śmierci organizmy przestają wytwarzać węgiel 14. Ponieważ okres półtrwania jest stały, stosunek węgla 14 do azotu 14 stanowi miarę wieku próbki.
W medycynie źródłami energii reakcji jądrowych są radioaktywne izotopy kob altu 60, który był używany do radioterapii w celu zmniejszenia guzów, które później zostaną usunięte chirurgicznie, lub do zabicia komórek rakowych w nieoperacyjnychguzy. Kiedy rozpada się na stabilny nikiel, emituje dwie stosunkowo wysokie energie - promienie gamma. Dziś jest zastępowany przez systemy radioterapii wiązką elektronów.
Okres półtrwania izotopu z niektórych próbek:
- tlen 16 - nieskończony;
- uran 238 - 4 460 000 000 lat;
- uran 235 - 713 000 000 lat;
- węgiel 14 - 5730 lat;
- kob alt 60 - 5, 27 lat;
- srebrny 94 - 0,42 sekundy.
Datowanie radiowęglowe
W bardzo stałym tempie niestabilny węgiel 14 stopniowo rozpada się na węgiel 12. Stosunek tych izotopów węgla ujawnia wiek niektórych najstarszych mieszkańców Ziemi.
Datowanie radiowęglowe to metoda umożliwiająca obiektywne oszacowanie wieku materiałów węglowych. Wiek można oszacować, mierząc ilość węgla 14 obecnego w próbce i porównując ją z międzynarodowym standardem referencyjnym.
Wpływ datowania radiowęglowego na współczesny świat uczynił z niego jedno z najważniejszych odkryć XX wieku. Rośliny i zwierzęta przyswajają węgiel 14 z dwutlenku węgla przez całe życie. Kiedy umierają, przestają wymieniać węgiel z biosferą, a ich zawartość węgla 14 zaczyna spadać w tempie określonym przez prawo rozpadu radioaktywnego.
Datowanie radiowęglowe jest zasadniczo metodą pomiaru radioaktywności resztkowej. Wiedząc, ile węgla 14 pozostało w próbce, możesz się dowiedziećwiek organizmu, kiedy umarł. Należy zauważyć, że wyniki datowania radiowęglowego wskazują, kiedy organizm żył.
Podstawowe metody pomiaru radiowęgla
Istnieją trzy główne metody pomiaru węgla 14 w dowolnym obliczeniu proporcjonalności próbnika, licznik scyntylacji cieczy i spektrometria mas z akceleratorem.
Proporcjonalne zliczanie gazów to powszechna technika datowania radiometrycznego, która uwzględnia cząstki beta emitowane przez daną próbkę. Cząsteczki beta to produkty rozpadu radiowęgla. W tej metodzie próbka węgla jest najpierw przekształcana w dwutlenek węgla przed pomiarem w miernikach proporcjonalnych do gazu.
Zliczanie cieczy scyntylacyjnych to kolejna metoda datowania radiowęglowego, która była popularna w latach 60. XX wieku. W tej metodzie próbka ma postać płynną i dodawany jest scyntylator. Ten scyntylator tworzy błysk światła, gdy wchodzi w interakcję z cząsteczką beta. Próbówka jest przepuszczana między dwoma fotopowielaczami i gdy oba urządzenia zarejestrują błysk światła, następuje zliczenie.
Korzyści z nauki jądrowej
Prawa reakcji jądrowych są wykorzystywane w wielu gałęziach nauki i technologii, takich jak medycyna, energetyka, geologia, przestrzeń kosmiczna i ochrona środowiska. Medycyna nuklearna i radiologia to praktyki medyczne, które wiążą się z wykorzystaniem promieniowania lub radioaktywności do diagnozowania, leczenia i profilaktyki.choroby. Podczas gdy radiologia jest w użyciu od prawie wieku, termin „medycyna nuklearna” zaczął być używany około 50 lat temu.
Energetyka jądrowa jest używana od dziesięcioleci i jest jedną z najszybciej rozwijających się opcji energetycznych dla krajów poszukujących bezpieczeństwa energetycznego i energooszczędnych rozwiązań o niskiej emisji.
Archeolodzy używają szerokiej gamy metod nuklearnych do określania wieku obiektów. Artefakty, takie jak Całun Turyński, Zwoje znad Morza Martwego i Korona Karola Wielkiego, można datować i uwierzytelniać za pomocą technik nuklearnych.
Techniki jądrowe są wykorzystywane w społecznościach rolniczych do zwalczania chorób. Źródła promieniotwórcze są szeroko stosowane w górnictwie. Wykorzystywane są na przykład w nieniszczących badaniach zatorów w rurociągach i spawach, przy pomiarach gęstości wykrawanego materiału.
Nauka jądrowa odgrywa cenną rolę w pomaganiu nam w zrozumieniu historii naszego środowiska.
