Nuklearna reakcija (NR) - proces, pri katerem se jedro atoma spremeni z drobljenjem ali združevanjem z jedrom drugega atoma. Tako mora privesti do preoblikovanja vsaj enega nuklida v drugega. Včasih, če jedro v interakciji z drugim jedrom ali delcem, ne da bi spremenilo naravo katerega koli nuklida, se ta proces imenuje jedrsko sipanje. Morda najbolj opazne so fuzijske reakcije svetlobnih elementov, ki vplivajo na proizvodnjo energije zvezd in sonca. Naravne reakcije se pojavljajo tudi pri interakciji kozmičnih žarkov s snovjo.
Naravni jedrski reaktor
Najpomembnejša reakcija, ki jo nadzoruje človek, je reakcija cepitve, ki se pojavi v jedrskih reaktorjih. To so naprave za sprožitev in nadzor jedrske verižne reakcije. Vendar ne obstajajo samo umetni reaktorji. Prvi naravni jedrski reaktor na svetu je leta 1972 v Oklu v Gabonu odkril francoski fizik Francis Perrin.
Pogoje, pod katerimi bi lahko nastala naravna energija jedrske reakcije, je leta 1956 napovedal Paul Kazuo Kuroda. Edino znano mesto vSvet je sestavljen iz 16 mest, na katerih so se pojavile samovzdržne reakcije te vrste. Domneva se, da se je to zgodilo pred približno 1,7 milijarde let in se je nadaljevalo več sto tisoč let, kar dokazujejo izotopi ksenona (plinski produkt cepitve) in različna razmerja U-235/U-238 (naravna obogatitev urana).
Jedrska fisija
Graf vezavne energije nakazuje, da nuklidi z maso večjo od 130 a.m.u. se morajo spontano ločiti drug od drugega, da tvorijo lažje in stabilnejše nuklide. Eksperimentalno so znanstveniki ugotovili, da se spontane cepitvene reakcije elementov jedrske reakcije pojavljajo le za najtežje nuklide z masnim številom 230 ali več. Tudi če je to storjeno, je zelo počasi. Razpolovna doba spontane cepitve 238 U je na primer 10-16 let ali približno dva milijona krat daljša od starosti našega planeta! Fisijske reakcije lahko povzročimo z obsevanjem vzorcev težkih nuklidov s počasnimi toplotnimi nevtroni. Na primer, ko 235 U absorbira toplotni nevtron, se ta razbije na dva delca neenakomerne mase in sprosti povprečno 2,5 nevtrona.
Absorpcija nevtrona 238 U povzroči vibracije v jedru, ki ga deformirajo, dokler se ne razbije na drobce, tako kot se lahko kapljica tekočine razbije v manjše kapljice. Več kot 370 hčerinskih nuklidov z atomsko maso med 72 in 161 a.m.u. nastanejo med cepljenjem s toplotnim nevtronom 235U, vključno z dvema produktoma,prikazano spodaj.
Izotopi jedrske reakcije, kot je uran, so podvrženi inducirani cepitvi. Toda edini naravni izotop 235 U je prisoten v izobilju le 0,72%. Inducirana cepitev tega izotopa sprosti v povprečju 200 MeV na atom ali 80 milijonov kilojoulov na gram 235 U. Privlačnost jedrske cepitve kot vira energije lahko razumemo s primerjavo te vrednosti s 50 kJ/g, ki se sprosti pri naravnih plin je zgorel.
Prvi jedrski reaktor
Prvi umetni jedrski reaktor so zgradili Enrico Fermi in sodelavci pod nogometnim stadionom Univerze v Chicagu in začeli obratovati 2. decembra 1942. Ta reaktor, ki je proizvedel več kilovatov moči, je bil sestavljen iz kupa 385 ton grafitnih blokov, zloženih v plasteh okoli kubične mreže 40 ton urana in uranovega oksida. Spontana cepitev 238 U ali 235 U v tem reaktorju je povzročila zelo malo nevtronov. Vendar je bilo urana dovolj, zato je eden od teh nevtronov povzročil cepitev jedra 235 U in s tem sprostil povprečno 2,5 nevtrona, kar je kataliziralo cepitev dodatnih jeder 235 U v verižni reakciji (jedrske reakcije).
Količina cepljivega materiala, ki je potrebna za vzdrževanje verižne reakcije, se imenuje kritična masa. Zelene puščice prikazujejo razcepitev uranovega jedra na dva fisijska fragmenta, ki oddajata nove nevtrone. Nekateri od teh nevtronov lahko sprožijo nove cepitvene reakcije (črne puščice). Nekajnevtroni se lahko izgubijo v drugih procesih (modre puščice). Rdeče puščice prikazujejo zapoznele nevtrone, ki prispejo pozneje iz radioaktivnih fisijskih fragmentov in lahko sprožijo nove cepitvene reakcije.
Oznaka jedrskih reakcij
Oglejmo si osnovne lastnosti atomov, vključno z atomsko številko in atomsko maso. Atomsko število je število protonov v jedru atoma, izotopi pa imajo enako atomsko število, vendar se razlikujejo po številu nevtronov. Če sta začetna jedra označena z a in b, produktna jedra pa c in d, potem lahko reakcijo predstavimo z enačbo, ki jo lahko vidite spodaj.
Katere jedrske reakcije izničijo za lahke delce namesto za uporabo polnih enačb? V mnogih primerih se za opis takšnih procesov uporablja kompaktna oblika: a (b, c) d je enakovreden a + b, ki proizvaja c + d. Svetlobni delci so pogosto skrajšani: običajno p pomeni proton, n nevtron, d devteron, α alfa ali helij-4, β beta ali elektron, γ gama foton itd.
Vrste jedrskih reakcij
Čeprav je število možnih takšnih reakcij ogromno, jih je mogoče razvrstiti po vrsti. Večino teh reakcij spremlja gama sevanje. Tukaj je nekaj primerov:
- Elastično razprševanje. Pojavi se, ko se energija ne prenaša med ciljnim jedrom in prihajajočim delcem.
- Neelastično sipanje. Pojavi se pri prenosu energije. Razlika v kinetičnih energijah je ohranjena v vzbujenem nuklidu.
- Zajemite reakcije. oba napolnjena innevtralne delce lahko zajamejo jedra. To spremlja emisija ɣ-žarkov. Delci jedrskih reakcij v reakciji zajetja nevtronov se imenujejo radioaktivni nuklidi (inducirana radioaktivnost).
- Reakcije na prenos. Absorpcija delca, ki jo spremlja emisija enega ali več delcev, se imenuje reakcija prenosa.
- Fisijske reakcije. Jedrska cepitev je reakcija, pri kateri se jedro atoma razcepi na manjše kose (lažja jedra). Proces cepitve pogosto proizvaja proste nevtrone in fotone (v obliki gama žarkov) in sprošča velike količine energije.
- Fuzijske reakcije. Pojavijo se, ko dve ali več atomskih jeder trčita pri zelo visoki hitrosti in se združita v novo vrsto atomskega jedra. Deuterij-tritijevi fuzijski jedrski delci so še posebej zanimivi zaradi njihovega potenciala za zagotavljanje energije v prihodnosti.
- Razdelitvene reakcije. Pojavi se, ko jedro zadene delec z dovolj energije in zagona, da izloči nekaj majhnih drobcev ali ga razbije na veliko fragmentov.
- Reakcije prerazporeditve. To je absorpcija delca, ki jo spremlja emisija enega ali več delcev:
- 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
Različne reakcije preureditve spremenijo število nevtronov in število protonov.
jedrski razpad
Jedrske reakcije se pojavijo, ko nestabilen atom izgubi energijosevanje. Gre za naključni proces na ravni posameznih atomov, saj je po kvantni teoriji nemogoče predvideti, kdaj bo posamezni atom razpadel.
Obstaja veliko vrst radioaktivnega razpada:
- Alfa radioaktivnost. Alfa delci so sestavljeni iz dveh protonov in dveh nevtronov, vezanih skupaj z delcem, enakim jedru helija. Zaradi svoje zelo velike mase in naboja močno ionizira material in ima zelo kratek doseg.
- Beta radioaktivnost. Gre za visokoenergijske, hitre pozitrone ali elektrone, ki jih oddajajo nekatere vrste radioaktivnih jeder, kot je kalij-40. Beta delci imajo večji razpon penetracije kot delci alfa, vendar še vedno veliko manj kot gama žarki. Izvrženi beta delci so oblika ionizirajočega sevanja, znanega tudi kot beta žarki jedrske verižne reakcije. Proizvodnja beta delcev se imenuje beta razpad.
- Radioaktivnost gama. Gama žarki so elektromagnetno sevanje zelo visoke frekvence in so zato visokoenergetski fotoni. Nastanejo, ko jedra razpadejo, ko preidejo iz visokoenergijskega stanja v nižje stanje, znano kot gama razpad. Večino jedrskih reakcij spremlja gama sevanje.
- Emisija nevtronov. Emisija nevtronov je vrsta radioaktivnega razpada jeder, ki vsebujejo odvečne nevtrone (zlasti cepitvene produkte), pri katerem se nevtron preprosto izvrže iz jedra. Ta vrstasevanje ima ključno vlogo pri nadzoru jedrskih reaktorjev, ker ti nevtroni zamujajo.
Energija
Q-vrednost energije jedrske reakcije je količina energije, ki se sprosti ali absorbira med reakcijo. Imenuje se energijska bilanca ali Q-vrednost reakcije. Ta energija je izražena kot razlika med kinetično energijo produkta in količino reaktanta.
Splošni pogled na reakcijo: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kjer sta x in X reaktanti, y in Y je reakcijski produkt, ki lahko določi energijo jedrske reakcije, Q je energijska bilanca.
Q-vrednost NR se nanaša na energijo, ki se sprosti ali absorbira v reakciji. Imenuje se tudi energijska bilanca NR, ki je lahko pozitivna ali negativna, odvisno od narave.
Če je Q-vrednost pozitivna, bo reakcija eksotermna, imenovana tudi eksoergična. Ona sprošča energijo. Če je Q-vrednost negativna, je reakcija endoergična ali endotermna. Takšne reakcije se izvajajo z absorpcijo energije.
V jedrski fiziki so takšne reakcije opredeljene z vrednostjo Q, kot razlika med vsoto mas začetnih reaktantov in končnih produktov. Meri se v energijskih enotah MeV. Razmislite o tipični reakciji, pri kateri projektil a in tarča A preideta na dva produkta B in b.
To lahko izrazimo takole: a + A → B + B ali celo v bolj strnjenem zapisu - A (a, b) B. Vrste energij v jedrski reakciji in pomen te reakcijedoločeno s formulo:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, kar sovpada s presežno kinetično energijo končnih izdelkov:
Q=T končno - T začetno
Za reakcije, pri katerih pride do povečanja kinetične energije produktov, je Q pozitiven. Pozitivne Q reakcije se imenujejo eksotermne (ali eksogene).
Obstaja neto sprostitev energije, saj je kinetična energija končnega stanja večja kot v začetnem stanju. Za reakcije, pri katerih opazimo zmanjšanje kinetične energije produktov, je Q negativen.
Razpolovna doba
Razpolovna doba radioaktivne snovi je značilna konstanta. Meri čas, potreben, da se določena količina snovi zmanjša za polovico zaradi razpadanja in s tem sevanja.
Arheologi in geologi uporabljajo dosedanjo razpolovno dobo na organskih predmetih v procesu, znanem kot ogljikovo datiranje. Med beta razpadom se ogljik 14 pretvori v dušik 14. V času smrti organizmi prenehajo proizvajati ogljik 14. Ker je razpolovna doba konstantna, je razmerje med ogljikom 14 in dušikom 14 merilo starosti vzorca.
Na medicinskem področju so vir energije jedrskih reakcij radioaktivni izotopi kob alta 60, ki so ga uporabljali za radioterapijo za krčenje tumorjev, ki bodo kasneje kirurško odstranjeni, ali za ubijanje rakavih celic v neoperabilnihtumorji. Ko razpade v stabilen nikelj, oddaja dve relativno visoki energiji – gama žarke. Danes ga nadomeščajo sistemi za radioterapijo z elektronskimi žarki.
Razpolovna doba izotopa iz nekaterih vzorcev:
- kisik 16 - neskončno;
- uran 238 - 4,460,000,000 let;
- uran 235 - 713.000.000 let;
- ogljik 14 - 5730 let;
- kob alt 60 - 5, 27 let;
- srebro 94 - 0,42 sekunde.
Radiokarbonski zmenki
Nestabilen ogljik 14 postopoma razpade v ogljik 12 z zelo enakomerno hitrostjo. Razmerje teh izotopov ogljika razkriva starost nekaterih najstarejših prebivalcev Zemlje.
Radiokarbonsko datiranje je metoda, ki zagotavlja objektivne ocene starosti materialov na osnovi ogljika. Starost je mogoče oceniti tako, da izmerimo količino ogljika 14, ki je prisoten v vzorcu, in jo primerjamo z mednarodnim standardom.
Vpliv radiokarbonskega datiranja na sodobni svet je postal eno najpomembnejših odkritij 20. stoletja. Rastline in živali skozi vse življenje asimilirajo ogljik 14 iz ogljikovega dioksida. Ko umrejo, prenehajo izmenjevati ogljik z biosfero in njihova vsebnost ogljika 14 začne upadati s hitrostjo, ki jo določa zakon radioaktivnega razpada.
Radiokarbonsko datiranje je v bistvu metoda za merjenje preostale radioaktivnosti. Če veste, koliko ogljika 14 je ostalo v vzorcu, lahko ugotovitestarost organizma, ko je umrl. Treba je opozoriti, da rezultati radiokarbonskega datiranja kažejo, kdaj je bil organizem živ.
Osnovne metode za merjenje radioogljika
Obstajajo tri glavne metode za merjenje ogljika 14 v katerem koli danem proporcionalnem izračunu vzorčevalnika, tekočem scintilacijskem števcu in masni spektrometriji pospeševalnika.
Proporcionalno štetje plinov je običajna tehnika radiometričnega datiranja, ki upošteva beta delce, ki jih oddaja dani vzorec. Beta delci so produkti razpada radioogljika. Pri tej metodi se vzorec ogljika najprej pretvori v plin ogljikov dioksid, preden se izmeri v plinoproporcionalnih merilnikih.
Štetje scintilacijske tekočine je še ena metoda radiokarbonskega datiranja, ki je bila priljubljena v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Pri tej metodi je vzorec v tekoči obliki in dodan je scintilator. Ta scintilator ustvari svetlobni blisk, ko je v interakciji z beta delcem. Vzorčna cev se prestavi med dvema fotopomnoževalnikoma in ko obe napravi zaznata blisk svetlobe, se izvede štetje.
Prednosti jedrske znanosti
Zakoni jedrskih reakcij se uporabljajo v številnih vejah znanosti in tehnologije, kot so medicina, energija, geologija, vesolje in varstvo okolja. Nuklearna medicina in radiologija sta medicinski praksi, ki vključujeta uporabo sevanja ali radioaktivnosti za diagnosticiranje, zdravljenje in preprečevanje.bolezni. Medtem ko je radiologija v uporabi že skoraj stoletje, se je izraz "nuklearna medicina" začel uporabljati pred približno 50 leti.
Jedrska energija se uporablja že desetletja in je ena najhitreje rastočih energetskih možnosti za države, ki iščejo energetsko varnost in rešitve za varčevanje z energijo z nizkimi emisijami.
Arheologi uporabljajo široko paleto jedrskih metod za določanje starosti predmetov. Artefakte, kot so torinski pokrov, zvitki Mrtvega morja in krona Karla Velikega, je mogoče datirati in potrditi z uporabo jedrskih tehnik.
Jedrske tehnike se uporabljajo v kmetijskih skupnostih za boj proti boleznim. Radioaktivni viri se pogosto uporabljajo v rudarski industriji. Uporabljajo se na primer pri neporušnem testiranju zamašitev v cevovodih in zvarih, pri merjenju gostote preluknjenega materiala.
Jedrska znanost igra dragoceno vlogo pri razumevanju zgodovine našega okolja.
