Nuklearna reakcija (NR) - proces u kojem se jezgra atoma mijenja drobljenjem ili spajanjem s jezgrom drugog atoma. Dakle, mora dovesti do transformacije barem jednog nuklida u drugi. Ponekad, ako jezgra stupi u interakciju s drugom jezgrom ili česticom bez promjene prirode bilo kojeg nuklida, proces se naziva nuklearno raspršenje. Možda su najistaknutije reakcije fuzije svjetlosnih elemenata, koje utječu na proizvodnju energije zvijezda i sunca. Prirodne reakcije također se javljaju u interakciji kozmičkih zraka s materijom.
Prirodni nuklearni reaktor
Najpoznatija reakcija koju kontrolira čovjek je reakcija fisije koja se događa u nuklearnim reaktorima. To su uređaji za pokretanje i kontrolu nuklearne lančane reakcije. Ali ne postoje samo umjetni reaktori. Prvi prirodni nuklearni reaktor na svijetu otkrio je 1972. godine u Oklu u Gabonu francuski fizičar Francis Perrin.
Uvjete pod kojima bi se mogla generirati prirodna energija nuklearne reakcije predvidio je 1956. Paul Kazuo Kuroda. Jedino poznato mjesto usvijet se sastoji od 16 mjesta na kojima su se događale samoodržive reakcije ovog tipa. Vjeruje se da je to bilo prije oko 1,7 milijardi godina i da se nastavilo nekoliko stotina tisuća godina, o čemu svjedoče izotopi ksenona (plin produkt fisije) i različiti omjeri U-235/U-238 (prirodno obogaćivanje urana).
Nuklearna fisija
Grafikon energije vezivanja sugerira da nuklidi s masom većom od 130 a.m.u. trebaju se spontano odvajati jedan od drugog kako bi nastali lakši i stabilniji nuklidi. Eksperimentalno su znanstvenici otkrili da se spontane reakcije fisije elemenata nuklearne reakcije događaju samo za najteže nuklide s masenim brojem od 230 ili više. Čak i ako se to učini, vrlo je sporo. Vrijeme poluraspada za spontanu fisiju 238 U, na primjer, iznosi 10-16 godina, odnosno oko dva milijuna puta dulje od starosti našeg planeta! Reakcije fisije mogu se inducirati zračenjem uzoraka teških nuklida sporim toplinskim neutronima. Na primjer, kada 235 U apsorbira toplinski neutron, on se razbija na dvije čestice nejednake mase i oslobađa u prosjeku 2,5 neutrona.
Apsorpcija 238 U neutrona inducira vibracije u jezgri, koje je deformiraju sve dok se ne razbije u fragmente, baš kao što se kap tekućine može razbiti u manje kapljice. Više od 370 kćeri nuklida s atomskim masama između 72 i 161 a.m.u. nastaju tijekom fisije toplinskim neutronom 235U, uključujući dva produkta,prikazano ispod.
Izotopi nuklearne reakcije, kao što je uran, podliježu induciranoj fisiji. Ali jedini prirodni izotop 235 U prisutan je u izobilju sa samo 0,72%. Inducirana fisija ovog izotopa oslobađa u prosjeku 200 MeV po atomu, ili 80 milijuna kilojoula po gramu 235 U. Privlačnost nuklearne fisije kao izvora energije može se razumjeti usporedbom ove vrijednosti s 50 kJ/g oslobođenih pri prirodnom plin je izgorio.
Prvi nuklearni reaktor
Prvi umjetni nuklearni reaktor izgradili su Enrico Fermi i suradnici ispod nogometnog stadiona Sveučilišta u Chicagu i pušten je u rad 2. prosinca 1942. godine. Ovaj reaktor, koji je proizvodio nekoliko kilovata snage, sastojao se od hrpe od 385 tona grafitnih blokova naslaganih u slojevima oko kubične rešetke od 40 tona urana i uranovog oksida. Spontana fisija 238 U ili 235 U u ovom reaktoru proizvela je vrlo malo neutrona. Ali bilo je dovoljno urana, pa je jedan od tih neutrona inducirao fisiju jezgre 235 U, oslobađajući pritom prosječno 2,5 neutrona, što je kataliziralo fisiju dodatnih 235 U jezgri u lančanoj reakciji (nuklearne reakcije).
Količina fisijskog materijala potrebna za održavanje lančane reakcije naziva se kritična masa. Zelene strelice pokazuju cijepanje jezgre urana u dva fisijska fragmenta koji emitiraju nove neutrone. Neki od tih neutrona mogu potaknuti nove reakcije fisije (crne strelice). Neke odneutroni se mogu izgubiti u drugim procesima (plave strelice). Crvene strelice pokazuju odgođene neutrone koji dolaze kasnije iz radioaktivnih fisijskih fragmenata i mogu pokrenuti nove reakcije fisije.
Oznaka nuklearnih reakcija
Pogledajmo osnovna svojstva atoma, uključujući atomski broj i atomsku masu. Atomski broj je broj protona u jezgri atoma, a izotopi imaju isti atomski broj, ali se razlikuju po broju neutrona. Ako su početne jezgre označene a i b, a jezgre produkta c i d, tada se reakcija može predstaviti jednadžbom koju možete vidjeti u nastavku.
Koje se nuklearne reakcije poništavaju za svjetlosne čestice umjesto da se koriste pune jednadžbe? U mnogim situacijama, kompaktni oblik se koristi za opisivanje takvih procesa: a (b, c) d je ekvivalentno a + b koji proizvodi c + d. Svjetlosne čestice se često skraćuju: obično p označava proton, n neutron, d deuteron, α alfa ili helij-4, β beta ili elektron, γ gama foton, itd.
Vrste nuklearnih reakcija
Iako je broj mogućih takvih reakcija ogroman, mogu se razvrstati po vrsti. Većinu ovih reakcija prati gama zračenje. Evo nekoliko primjera:
- Elastično raspršivanje. Pojavljuje se kada se ne prenosi energija između ciljne jezgre i dolazeće čestice.
- Neelastično raspršenje. Javlja se kada se energija prenosi. Razlika u kinetičkim energijama je očuvana u pobuđenom nuklidu.
- Snimite reakcije. i nabijena ineutralne čestice mogu biti zarobljene jezgrama. To je popraćeno emisijom ɣ-zraka. Čestice nuklearnih reakcija u reakciji hvatanja neutrona nazivaju se radioaktivni nuklidi (inducirana radioaktivnost).
- Reakcije prijenosa. Apsorpcija čestice, praćena emisijom jedne ili više čestica, naziva se reakcija prijenosa.
- Reakcije fisije. Nuklearna fisija je reakcija u kojoj se jezgra atoma cijepa na manje dijelove (lakše jezgre). Proces fisije često proizvodi slobodne neutrone i fotone (u obliku gama zraka) i oslobađa velike količine energije.
- Fusion reakcije. Nastaje kada se dvije ili više atomskih jezgri sudare vrlo velikom brzinom i spoje se u novu vrstu atomske jezgre. Deuterij-tricij fuzijske nuklearne čestice su od posebnog interesa zbog svog potencijala da u budućnosti daju energiju.
- Razdjele reakcija. Događa se kada jezgru udari čestica s dovoljno energije i zamaha da izbije nekoliko malih fragmenata ili je razbije na mnogo fragmenata.
- Reakcije preuređivanja. Ovo 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, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Različite reakcije preuređivanja mijenjaju broj neutrona i broj protona.
Nuklearni raspad
Nuklearne reakcije nastaju kada nestabilni atom gubi energijuradijacija. To je slučajan proces na razini pojedinačnih atoma, budući da je prema kvantnoj teoriji nemoguće predvidjeti kada će se pojedini atom raspasti.
Postoje mnoge vrste radioaktivnog raspada:
- Alfa radioaktivnost. Alfa čestice se sastoje od dva protona i dva neutrona vezana zajedno s česticom identičnom jezgri helija. Zbog svoje vrlo velike mase i naboja, snažno ionizira materijal i ima vrlo kratak domet.
- Beta radioaktivnost. To su visokoenergetski, brzi pozitroni ili elektroni, emitirani iz određenih vrsta radioaktivnih jezgri, kao što je kalij-40. Beta čestice imaju veći raspon penetracije od alfa čestica, ali još uvijek mnogo manji od gama zraka. Izbačene beta čestice oblik su ionizirajućeg zračenja, također poznate kao beta zrake nuklearne lančane reakcije. Proizvodnja beta čestica naziva se beta raspad.
- Gama radioaktivnost. Gama zrake su elektromagnetsko zračenje vrlo visoke frekvencije i stoga su fotoni visoke energije. Nastaju kada se jezgre raspadaju dok prelaze iz stanja visoke energije u niže stanje poznato kao gama raspad. Većina nuklearnih reakcija popraćena je gama zračenjem.
- Emisija neutrona. Emisija neutrona je vrsta radioaktivnog raspada jezgri koja sadrži višak neutrona (osobito proizvoda fisije), pri čemu se neutron jednostavno izbacuje iz jezgre. Ovaj tipzračenje igra ključnu ulogu u kontroli nuklearnih reaktora jer ti neutroni kasne.
Energija
Q-vrijednost energije nuklearne reakcije je količina energije koja se oslobađa ili apsorbira tijekom reakcije. Zove se energetska ravnoteža ili Q-vrijednost reakcije. Ova energija se izražava kao razlika između kinetičke energije proizvoda i količine reaktanta.
Opći pogled na reakciju: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), gdje su x i X reaktanti, a y i Y su produkt reakcije, koji može odrediti energiju nuklearne reakcije, Q je bilanca energije.
Q-vrijednost NR odnosi se na energiju koja se oslobađa ili apsorbira u reakciji. Naziva se i NR energetskom ravnotežom, koja može biti pozitivna ili negativna ovisno o prirodi.
Ako je Q-vrijednost pozitivna, reakcija će biti egzotermna, također se naziva egzoergična. Ona oslobađa energiju. Ako je Q-vrijednost negativna, reakcija je endoergična ili endotermna. Takve se reakcije provode apsorpcijom energije.
U nuklearnoj fizici takve su reakcije definirane Q-vrijednošću, kao razlika između zbroja masa početnih reaktanata i konačnih proizvoda. Mjeri se u energetskim jedinicama MeV. Razmotrimo tipičnu reakciju u kojoj projektil a i cilj A daju dva proizvoda B i b.
To se može izraziti ovako: a + A → B + B, ili čak u kompaktnijoj notaciji - A (a, b) B. Vrste energija u nuklearnoj reakciji i značenje ove reakcijeodređeno formulom:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, što se poklapa s viškom kinetičke energije konačnih proizvoda:
Q=T konačno - T početno
Za reakcije u kojima dolazi do povećanja kinetičke energije proizvoda, Q je pozitivan. Pozitivne Q reakcije nazivaju se egzotermne (ili egzogene).
Postoji neto oslobađanje energije, budući da je kinetička energija konačnog stanja veća nego u početnom stanju. Za reakcije u kojima se opaža smanjenje kinetičke energije proizvoda, Q je negativan.
Poluživot
Vrijeme poluraspada radioaktivne tvari je karakteristična konstanta. Mjeri vrijeme potrebno da se određena količina materije smanji za polovicu raspadanjem, a time i zračenjem.
Arheolozi i geolozi koriste dosadašnji poluživot na organskim objektima u procesu poznatom kao datiranje ugljikom. Tijekom beta raspada, ugljik 14 se pretvara u dušik 14. U vrijeme smrti, organizmi prestaju proizvoditi ugljik 14. Budući da je poluživot konstantan, omjer ugljika 14 i dušika 14 daje mjeru starosti uzorka.
U medicinskom području, izvori energije nuklearnih reakcija su radioaktivni izotopi kob alta 60, koji se koristio za terapiju zračenjem za smanjenje tumora koji će se kasnije kirurški ukloniti ili za ubijanje stanica raka u neoperabilnimtumori. Kada se raspadne u stabilan nikal, emitira dvije relativno visoke energije – gama zrake. Danas ga zamjenjuju sustavi radioterapije elektronskim snopom.
Poluživot izotopa iz nekih uzoraka:
- kisik 16 - beskonačno;
- uran 238 - 4,460,000,000 godina;
- uran 235 - 713,000,000 godina;
- ugljik 14 - 5730 godina;
- kob alt 60 - 5, 27 godina;
- srebro 94 - 0,42 sekunde.
Radiokarbonska datiranja
Vrlo stalnom brzinom, nestabilni ugljik 14 postupno se raspada u ugljik 12. Omjer ovih izotopa ugljika otkriva starost nekih od najstarijih stanovnika Zemlje.
Radiokarbonsko datiranje je metoda koja daje objektivne procjene starosti materijala na bazi ugljika. Starost se može procijeniti mjerenjem količine ugljika 14 prisutnog u uzorku i usporedbom s međunarodnom standardnom referencom.
Utjecaj radiokarbonskog datiranja na moderni svijet učinio ga je jednim od najznačajnijih otkrića 20. stoljeća. Biljke i životinje tijekom svog života asimiliraju ugljik 14 iz ugljičnog dioksida. Kada umru, prestaju izmjenjivati ugljik s biosferom, a njihov sadržaj ugljika 14 počinje opadati brzinom određenom zakonom radioaktivnog raspada.
Radiokarbonsko datiranje je u biti metoda za mjerenje preostale radioaktivnosti. Znajući koliko je ugljika 14 ostalo u uzorku, možete saznatistarost organizma kada je umro. Treba napomenuti da rezultati radiokarbonskog datiranja pokazuju kada je organizam bio živ.
Osnovne metode za mjerenje radiougljika
Postoje tri glavne metode koje se koriste za mjerenje ugljika 14 u bilo kojem danom proporcionalnom izračunu uzorkivača, tekućem scintilacijskom brojaču i masenoj spektrometriji akceleratora.
Proporcionalno brojanje plinova uobičajena je tehnika radiometrijskog datiranja koja uzima u obzir beta čestice koje emitira dati uzorak. Beta čestice su produkti raspada radiougljika. U ovoj metodi, uzorak ugljika se prvo pretvara u plin ugljični dioksid prije nego što se mjeri u plinomjerima.
Brojanje scintilacijske tekućine još je jedna metoda radiokarbonskog datiranja koja je bila popularna 1960-ih. U ovoj metodi uzorak je u tekućem obliku i dodan je scintilator. Ovaj scintilator stvara bljesak svjetlosti kada stupi u interakciju s beta česticom. Cijev s uzorkom prolazi između dva fotomultiplikatora i kada oba uređaja registriraju bljesak svjetlosti, vrši se brojanje.
Prednosti nuklearne znanosti
Zakoni nuklearnih reakcija koriste se u širokom rasponu grana znanosti i tehnologije, poput medicine, energetike, geologije, svemira i zaštite okoliša. Nuklearna medicina i radiologija su medicinske prakse koje uključuju korištenje zračenja ili radioaktivnosti za dijagnozu, liječenje i prevenciju.bolesti. Dok se radiologija koristi gotovo jedno stoljeće, termin "nuklearna medicina" počeo se koristiti prije otprilike 50 godina.
Nuklearna energija se koristi desetljećima i jedna je od najbrže rastućih energetskih opcija za zemlje koje traže energetsku sigurnost i rješenja za uštedu energije s niskim emisijama.
Arheolozi koriste širok raspon nuklearnih metoda za određivanje starosti predmeta. Artefakti kao što su Torinsko platno, svici s Mrtvog mora i kruna Karla Velikog mogu se datirati i potvrditi pomoću nuklearnih tehnika.
Nuklearne tehnike se koriste u poljoprivrednim zajednicama za borbu protiv bolesti. Radioaktivni izvori imaju široku primjenu u rudarskoj industriji. Na primjer, koriste se u ispitivanju bez razaranja začepljenja u cjevovodima i zavarima, u mjerenju gustoće probijenog materijala.
Nuklearna znanost igra vrijednu ulogu u razumijevanju povijesti našeg okoliša.
