Nuklearne reakcije: vrste, zakoni

Nuklearna reakcija (NR) je proces u kojem se jezgra atoma mijenja pomoću drobljenja ili spajanja s jezgrom drugog atoma. Dakle, ona mora dovesti do konverzije barem jednog nuklida u drugi. Ponekad, ako jezgra djeluje u interakciji s drugim jezgrom ili česticama bez promjene prirode bilo kojeg nukleog tijela, proces se odnosi na nuklearno raspršivanje. Možda su najznačajnije reakcije nuklearna fuzija

Prirodni nuklearni reaktor

Najočitija reakcija kontrolirana ljudima je reakcija fisije koja se javlja u nuklearnim reaktorima. To su uređaji za pokretanje i praćenje nuklearne reakcije lanca. No, ne postoje samo umjetni reaktori. Prvi prirodni nuklearni reaktor na svijetu otkrio je 1972. u Oklu u Gabonu francuski fizičar Francis Perrin.

Uvjeti pod kojima bi mogao biti proizvedeni prirodni energije nuklearne reakcije, su predvidjeli 1956. godine Paul Kazuo Kuroda. Jedino poznato mjesto na svijetu sastoji se od 16 mjesta na kojima su se dogodile samoodržive reakcije ove vrste. Smatra se da je to otprilike prije 1,7 milijardi godina i nastavio za nekoliko stotina tisuća godina, potvrđeno je da je prisutnost xenon izotopa (plinovito fisija proizvod) i drugačiji odnos U-235 / U-238 (prirodna obogaćivanje urana).

Nuklearna fisija

Graf energija vezanja pretpostavlja da su nuklidi s masom većom od 130 amu. trebaju se spontano odvojiti jedan od drugoga da bi formirali lakše i stabilnije nuklide. Eksperimentalno, znanstvenici su utvrdili da se spontane reakcije fisije nuklearnih reakcijskih elemenata pojavljuju samo za najteže nuklide s masenim brojem od 230 ili više. Čak i ako je to učinjeno, vrlo je spor. Poluvijek za spontanu fizionu 238 U, na primjer, je 10-16 godina, ili oko dva milijuna puta dulje od doba našeg planeta! Ozračivanjem teških uzoraka nuklida s polaganim toplinskim neutronima mogu se izazvati reakcije fisije. Na primjer, kada 235 U apsorbira toplinski neutron, razbije se u dvije čestice s neravnom masom i oslobađa prosječno 2,5 neutrona.

Apsorpcija neutrona 238 U inducira oscilacije u jezgri, koja ga deformira sve dok se ne razbije u ulomke, jer se kap tekućine može raspršiti u manje kapljice. Više od 370 nuklida kćeri s atomskim masama između 72 i 161 amu. generirani su pomoću termičke neutronske fisije od 235U, uključujući dva proizvoda prikazana dolje.

Izotopi nuklearne reakcije, poput urana, podliježu induciranoj fizioniji. Ali jedini prirodni izotop 235 U prisutan je u obilju od samo 0,72%. Inducirani fisija ovog izotopa oslobađa u prosjeku 200 MeV po atom ili millionov 80 kJ po gramu 235 U. privlačenje nuklearne fisije kao izvor energije može se razumjeti usporedbom te vrijednosti s 50 kJ / g je oslobađa kada se spali prirodni plin.

Prvi nuklearni reaktor

Prvi umjetni nuklearni reaktor izgradio je Enrico Fermi i zaposlenici pod nogometnim stadionom Sveučilišta u Chicagu, stavljen je u pogon 2. prosinca 1942. godine. Ovaj reaktor, koji je proizveo nekoliko kilovata energije, sastojao se od gomile grafitnih blokova težine 385 tona, slojevite oko kubične rešetke od 40 tona urana i urana oksida. Spontana fisija od 238 U ili 235 U u ovom reaktoru uzrokovala je vrlo mali broj neutrona. Ali dovoljno je dovoljno urana, pa je izazvao jedan od tih neutrona kernel divizija 235 U, otpuštajući tako prosječno 2,5 neutrona, što je kataliziralo fiziju dodatnih 235 U jezgri u lancnoj reakciji (nuklearne reakcije).

Naziva se količina fisijskog materijala potrebnog za održavanje lančane reakcije kritičnu masu. Zelene strelice pokazuju cijepanje jezgre urana u dva fragmenta fisije koji emitiraju nove neutrone. Neki od tih neutrona mogu uzrokovati nove reakcije fisije (crne strelice). Neki od neutrona mogu biti izgubljeni u drugim procesima (plave strelice). Crvene strelice ukazuju na usporene neutrone, koji dolaze kasnije iz radioaktivnih fragmenata fisije i mogu izazvati nove reakcije fisije.

Označavanje nuklearnih reakcija

Razmotrimo osnovna svojstva atoma, uključujući atomski broj i atomsku masu. Atomska brojka je broj protona u jezgri atoma, a izotopi imaju isti atomski broj, ali se razlikuju u broju neutrona. Ako su početna zrna označena s i i b, i označavaju se zrna proizvoda s i d tada se reakcija može prikazati jednadžbom koju možete vidjeti u nastavku.

Koje nuklearne reakcije, umjesto korištenja kompletnih jednadžbi, su smanjene za svjetlosne čestice? U mnogim situacijama, kompaktni obrazac koristi se za opisivanje takvih procesa: a (b, c) d je ekvivalentan a + b, koja stvara c + d. Česte čestice često se smanjuju: obično p znači proton, n- neutrona, d - deuteron, alfa - alfa-čestica ili heli-4, beta - beta-čestica, ili elektron, gama- - gama-fotona i tako dalje.

Vrste nuklearnih reakcija

Iako je broj mogućih takvih reakcija ogroman, mogu se razvrstati prema vrsti. Većina tih reakcija prati gama zračenje. Evo nekoliko primjera:

1. Elastično raspršivanje. Pojavljuje se kada se energija između ciljne jezgre i incidentne čestice ne prenosi.
2. Inelastično raspršenje. Pojavljuje se kada se prenosi energija. Razlika u kinetičkim energijama očuvana je u uzbuđenom nuklidu.
3. Snimanje reakcije. Oba napunjena i neutralna čestica mogu biti zarobljena jezgrama. To je praćeno emisijom ɣ-zraka. Čestice nuklearnih reakcija tijekom snimanja neutrona nazivaju se radioaktivnim nuklidima (inducirana radioaktivnost).
4. Prijenosne reakcije. Apsorpcija čestice, praćena emisijom jedne ili više čestica, naziva se prijenosna reakcija.
5. Fisijske reakcije. Nuklearna fisija je reakcija u kojoj je jezgra atoma podijeljena na manje dijelove (lakše jezgre). Proces fisije često dovodi do stvaranja slobodnih neutrona i fotona (u obliku gama zraka) i oslobađa veliku količinu energije.
6. Reakcije fuzije. Pojavljuju se kada se dvije ili više atomske jezgre sudaraju vrlo visokom brzinom i kombiniraju se tako da formiraju novu vrstu atomske jezgre. Čestice reakcija nuklearnih fuzija deuterija i tricija posebno su zanimljive zbog njihovog potencijala za pružanje energije u budućnosti.
7. Razdvajanje reakcija. Pojavljuju se kada je jezgra pogodila čestica s dovoljnom energijom i zamahom kako bi izbacila nekoliko manjih fragmenata ili ih razbila u mnoge ulomke.
8. Pregrupirajuće reakcije. To je apsorpcija čestice, praćena emisijom jedne ili više čestica:

• 197Au (p, d) 196mAu
• 4He (a, p) 7Li
• 27Al (a, n) 30P
• 54Fe (a, d) 58Co
• 54Fe (a, 2n) 56Ni
• 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Različite reakcije preuređivanja mijenjaju broj neutrona i broj protona.

Nuklearno raspadanje

Nuklearne reakcije nastaju kada nestabilni atom izgubi energiju zbog zračenja. To je slučajni proces na razini pojedinačnih atoma, jer prema kvantnoj teoriji nemoguće je predvidjeti kada će jedan atom propasti.

Postoje mnoge vrste radioaktivnog propadanja:

1. Alfa radioaktivnost. Alfa čestice sastoje se od dva protona i dva neutrona, povezana s česticama koja je identična jezgri helija. Zbog vrlo velike mase i naboja, jako ionizira materijal i ima vrlo kratki raspon.
2. Beta radioaktivnost. Ona predstavlja visoke energetske velike brzine ili elektrone koje emitiraju određene vrste radioaktivnih jezgri, kao što je kalij 40. Beta čestice imaju veći raspon penetracije nego alfa čestice, ali još uvijek mnogo manje od gama zračenja. Odbačene beta čestice su oblik ionizirajućeg zračenja, također poznate kao beta-zrake nuklearne reakcije lanca. Proizvodnja beta čestica naziva se beta degradacija.
3. Gamma radioaktivnost. Gamma zrake su elektromagnetsko zračenje vrlo visoke frekvencije i stoga su fotoni visoke energije. Oni se formiraju tijekom propadanja jezgri kada prelaze iz visokog energetskog stanja u nižu razinu, poznatu kao gama raspad. Većina nuklearnih reakcija prati gama zračenje.
4. Neutron emisija. Neutronska emisija je vrsta radioaktivnog raspadanja jezgara koja sadrži suvišne neutrone (osobito fisijski produkti) u kojima se neutrona jednostavno izbacuje iz jezgre. Ova vrsta zračenja igra ključnu ulogu u upravljanju nuklearnim reaktorima, jer su ti neutroni kasni.

Elektrotehnika

Q-vrijednost energije nuklearne reakcije je količina energije koja se oslobađa ili apsorbira tijekom reakcije. Naziva se energetska ravnoteža, ili Q-vrijednost reakcije. Ta se energija izražava kao razlika između kinetičke energije proizvoda i vrijednosti reagensa.

Opći oblik reakcije je: x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i) x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i), gdje x i X su reagensi, i y i Y - proizvod reakcije, koji može odrediti energiju nuklearne reakcije, Q je energetska ravnoteža.

Q-vrijednost NR znači energiju koja se oslobađa ili apsorbira u reakciji. Također se naziva energijska ravnoteža NR, koja može biti pozitivna ili negativna ovisno o prirodi.

Ako je Q-vrijednost pozitivna, reakcija će biti egzotermna, također se naziva egzogerna. Oslobađa energiju. Ako je Q-vrijednost negativna, reakcija je endoergična ili endotermna. Takve reakcije provode se zbog apsorpcije energije.

U nuklearnoj fizici, slične reakcije određene su Q-vrijednošću, kao razlika između zbroja masa početnih reagensa i konačnih produkata. Mjeren je u MeV jedinicama. Razmotriti tipičnu reakciju u kojoj je projektil i svrhu manje od dva proizvoda B i b.

To može izraziti kao: a + A → B + B, ili čak više kompaktnoj snimke - A (a, b) B. Vrste energije za nuklearne reakcije i vrijednosti ove reakcije daje:

Q = [m + mA - (mB + mB)] c2,

što se podudara s viškom kinetičke energije krajnjih proizvoda:

Q = T konačni - početni T

Za reakcije u kojima se promatra povećanje kinetičke energije proizvoda, Q je pozitivan. Pozitivne Q reakcije nazivaju se egzotermom (ili egzogenom).

Postoji neto oslobađanje energije, budući da je kinetička energija konačnog stanja veća nego u početnom stanju. Za reakcije u kojima se kinetička energija proizvoda smanjuje, Q je negativan.

Poluživot

Poluživot radioaktivne tvari je karakteristična konstanta. Mjeri vrijeme potrebno za određenu količinu tvari koja se smanjuje za pola zbog propadanja i, posljedično, zračenja.

Arheolozi i geolozi upotrebljavaju poluživot do sada za organske predmete u procesu poznatoj pod nazivom ugljika. U beta raspadom ugljika-14 se prevede u dušiku tijekom 14 organizmi prestane proizvoditi ugljika smrt 14. Budući da je poluživot je konstantan, omjer ugljika 14, 14 dušik osigurava mjerenje uzorka dobi.

U području medicine izvorima energije nuklearne reakcije su radioaktivni izotopi kobalt 60, koji se koristi za terapiju zračenjem smanjenja tumora, koji se nakon toga može ukloniti operacije, ili za uništavanje stanica raka u operirati tumora. Kada se razbije u stabilni nikal, emitira dvije relativno visoke energije - gama zračenje. Danas ga zamjenjuju elektronskim zračenjem.

Poluvrijeme izotopa iz nekih uzoraka:

• kisik 16 - beskonačan;
• urana 238 - 4,460 milijuna godina;
• urana 235 - 713 milijuna godina;
• ugljik 14 - 5 730 godina;
• kobalt 60 - 5,27 godina;
• srebro 94 - 0,42 sekunde.

Datiranje radio-karbonata

Kod vrlo stabilne brzine, nestabilni ugljik 14 postupno se razgrađuje u ugljik 12. Omjer tih ugljikovih izotopa ukazuje na dob nekih od najstarijih stanovnika Zemlje.

Datiranje radio-karbonata je metoda koja pruža objektivne procjene dobi ugljika na bazi materijala. Dob može se procijeniti mjerenjem količine ugljika 14 prisutnog u uzorku i usporedbom s međunarodnim standardnim standardom.

Utjecaj metode radioaktivnog ugljika iz modernog svijeta učinio ga je jednim od najznačajnijih otkrića 20. stoljeća. Biljke i životinje asimiliraju ugljik 14 iz ugljičnog dioksida kroz život. Kada umru, prestanu razmjenjivati ​​ugljik s biosferom, a sadržaj ugljika u njima počinje pasti brzinom određenim zakonom radioaktivnog raspadanja.

Radiokarbonski datiranje je u suštini metoda dizajnirana za mjerenje preostale radioaktivnosti. Znajući koliko ugljika 14 ostaje u uzorku, možete saznati doba organizma kada je umro. Treba napomenuti da rezultati radio-karbonskog datiranja pokazuju kada je tijelo živ bilo.

Osnovne metode za mjerenje radioaktivnog ugljika

Postoje tri glavna metode koje se koriste za mjerenje sadržaja ugljika 14 u bilo kojem obračunskom uzimanje uzorka, proporcionalne tekućim scintilacijskim brojačem, i ubrzivač masene spektrometrije.

Proporcionalni broj plinova je konvencionalna tehnika radiometrijskog datiranja koja uzima u obzir beta čestice koje emitira ovaj uzorak. Beta čestice su proizvodi propadanja radioaktivnog ugljika. U ovoj metodi uzorak ugljika prvo se pretvara u plinoviti ugljični dioksid prije mjerenja u proporcionalnim brojačima plina.

Brojenje tekućina od scintilacije je još jedna metoda radioaktivnog datiranja, popularnog u 1960-ima. U ovoj metodi, uzorak je u tekućem obliku i dodan je scintilatator. Ovaj scintilator stvara bljesak svjetla kada interakcionira s beta česticama. Ispitna cijev s uzorkom prolazi između dva fotomultiplera, a kad oba uređaja otkriju bljesak svjetla, izračunava se brojanje.

Prednosti nuklearne znanosti

Zakoni nuklearnih reakcija koriste se u širokom spektru grana znanosti i tehnologije, poput medicine, energije, geologije, prostora i zaštite okoliša. Nuklearna medicina i radiologija su medicinske metode koje uključuju uporabu zračenja ili radioaktivnosti za dijagnozu, liječenje i prevenciju bolesti. Dok se radiologija koristila gotovo stoljeće, pojam "nuklearna medicina" počeo se koristiti prije otprilike 50 godina.

Nuklearna energija je korištena desetljećima i jedna je od najbrže rastućih energetskih opcija za zemlje koje traže energetsku sigurnost i rješenja koja štite energiju uz niske emisije.

Arheolozi koriste širok raspon nuklearnih tehnika za određivanje dobi objekata. Artefakti kao što su Torino platnu, svitke s Mrtvog mora i krošnje Karla mogu biti datiran, a njihov identitet potvrdili korištenjem nuklearne tehnike.

Nuklearne metode se koriste u poljoprivrednim zajednicama u borbi protiv bolesti. Radioaktivni izvori se naširoko koriste u rudarskoj industriji. Na primjer, koriste se u nerazornim ispitivanjima spajanja cjevovoda i zavarenih spojeva u mjerenju gustoće probijenog materijala.

Nuklearna znanost igra vrijednu ulogu, pomažući nam da razumijemo povijest našeg okoliša.