Nuklearna reakcija (NR) - proces u kojem se jezgro atoma mijenja drobljenjem ili spajanjem sa jezgrom drugog atoma. Dakle, to mora dovesti do transformacije barem jednog nuklida u drugi. Ponekad, ako jezgro 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 utiču na proizvodnju energije zvijezda i sunca. Prirodne reakcije se također javljaju u interakciji kosmičkih zraka sa materijom.
Prirodni nuklearni reaktor
Najpoznatija reakcija kojom upravljaju ljudi je reakcija fisije koja se javlja 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.
Uslove pod kojima bi se mogla stvoriti prirodna energija nuklearne reakcije predvidio je 1956. Paul Kazuo Kuroda. Jedino poznato mjesto usvijet se sastoji od 16 lokacija na kojima su se dešavale samoodržive reakcije ovog tipa. Vjeruje se da je to bilo prije oko 1,7 milijardi godina i da se nastavilo nekoliko stotina hiljada godina, o čemu svjedoče izotopi ksenona (gas produkt fisije) i različiti omjeri U-235/U-238 (prirodno obogaćivanje uranijuma).
Nuklearna fisija
Grafikon energije vezivanja sugerira da nuklidi s masom većom od 130 a.m.u. treba da se spontano odvajaju jedan od drugog kako bi formirali lakši i stabilniji nuklidi. Eksperimentalno, znanstvenici su otkrili da se spontane reakcije fisije elemenata nuklearne reakcije javljaju samo za najteže nuklide s masenim brojem od 230 ili više. Čak i ako se to uradi, to je veoma sporo. Vrijeme poluraspada spontane fisije 238 U, na primjer, je 10-16 godina, ili oko dva miliona puta duže od starosti naše planete! Reakcije fisije mogu se inducirati zračenjem uzoraka teških nuklida sporim termalnim neutronima. Na primjer, kada 235 U apsorbira termalni neutron, on se razbija na dvije čestice neujednačene mase i oslobađa u prosjeku 2,5 neutrona.
Apsorpcija 238 U neutrona indukuje vibracije u jezgru, koje ga deformišu dok se ne razbije na fragmente, baš kao što se kap tečnosti može razbiti u manje kapljice. Više od 370 kćeri nuklida sa atomskim masama između 72 i 161 a.m.u. nastaju tokom fisije pomoću termičkog neutrona 235U, uključujući dva proizvoda,prikazano ispod.
Izotopi nuklearne reakcije, kao što je uranijum, prolaze kroz indukovanu fisiju. Ali jedini prirodni izotop 235 U prisutan je u izobilju sa samo 0,72%. Indukovana fisija ovog izotopa oslobađa u prosjeku 200 MeV po atomu, ili 80 miliona kilodžula po gramu 235 U. Privlačnost nuklearne fisije kao izvora energije može se razumjeti upoređivanjem ove vrijednosti sa 50 kJ/g oslobođenih pri prirodnom plin je spaljen.
Prvi nuklearni reaktor
Prvi vještački nuklearni reaktor izgradili su Enrico Fermi i saradnici ispod fudbalskog stadiona Univerziteta u Čikagu i pušten u rad 2. decembra 1942. godine. Ovaj reaktor, koji je proizvodio nekoliko kilovata snage, sastojao se od gomile od 385 tona grafitnih blokova naslaganih u slojevima oko kubne rešetke od 40 tona uranijuma i uranijum oksida. Spontana fisija 238 U ili 235 U u ovom reaktoru proizvela je vrlo malo neutrona. Ali bilo je dovoljno uranijuma, pa je jedan od ovih neutrona izazvao fisiju jezgra 235 U, oslobađajući pritom u prosjeku 2,5 neutrona, što je kataliziralo fisiju dodatnih 235 U jezgara u lančanoj reakciji (nuklearne reakcije).
Količina fisionog materijala potrebna za održavanje lančane reakcije naziva se kritična masa. Zelene strelice pokazuju cijepanje jezgra uranijuma u dva fisiona fragmenta koji emituju nove neutrone. Neki od ovih neutrona mogu pokrenuti nove reakcije fisije (crne strelice). Neki odneutroni se mogu izgubiti u drugim procesima (plave strelice). Crvene strelice pokazuju zakašnjele 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 početna jezgra označena kao a i b, a jezgra proizvoda označena sa c i d, tada se reakcija može predstaviti jednadžbom koju možete vidjeti ispod.
Koje nuklearne reakcije poništavaju lake čestice umjesto korištenja punih jednačina? U mnogim situacijama, kompaktni oblik se koristi za opisivanje takvih procesa: a (b, c) d je ekvivalentno a + b koji proizvodi c + d. Svetlosne čestice se često skraćuju: obično p označava proton, n neutron, d deuteron, α alfa ili helijum-4, β beta ili elektron, γ gama foton, itd.
Vrste nuklearnih reakcija
Iako je broj mogućih ovakvih reakcija ogroman, one se mogu sortirati po vrsti. Većina ovih reakcija je praćena gama zračenjem. Evo nekoliko primjera:
- Elastično rasipanje. Javlja se kada se energija ne prenosi između ciljnog jezgra i dolazeće čestice.
- Neelastično rasipanje. Javlja se kada se energija prenosi. Razlika u kinetičkim energijama je očuvana u pobuđenom nuklidu.
- Snimite reakcije. oba napunjena ineutralne čestice mogu biti zarobljene jezgrima. Ovo je praćeno 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.
- Fisijske reakcije. Nuklearna fisija je reakcija u kojoj se jezgro atoma cijepa na manje dijelove (lakša jezgra). 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 atomskog jezgra. Fuzione nuklearne čestice deuterijuma i tricijuma su od posebnog interesa zbog svog potencijala da obezbede energiju u budućnosti.
- Razdjele reakcije. Nastaje kada jezgro udari čestica s dovoljno energije i zamaha da izbije nekoliko malih fragmenata ili ga razbije na mnogo fragmenata.
- Rearanžmane reakcije. 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 energijuzračenje. To je slučajan proces na nivou pojedinačnih atoma, pošto je prema kvantnoj teoriji nemoguće predvidjeti kada će se pojedinačni atom raspasti.
Postoje mnoge vrste radioaktivnog raspada:
- Alfa radioaktivnost. Alfa čestice se sastoje od dva protona i dva neutrona vezana zajedno sa česticom identičnom jezgru helijuma. Zbog svoje veoma velike mase i svog naboja, snažno jonizuje materijal i ima veoma kratak domet.
- Beta radioaktivnost. To su visokoenergetski, brzi pozitroni, ili elektroni, koji se emituju iz određenih vrsta radioaktivnih jezgara, kao što je kalijum-40. Beta čestice imaju veći raspon penetracije od alfa čestica, ali još uvijek mnogo manji od gama zraka. Izbačene beta čestice su oblik jonizujućeg zračenja, također poznatog kao beta zraci nuklearne lančane reakcije. Proizvodnja beta čestica naziva se beta raspad.
- Gama radioaktivnost. Gama zraci su elektromagnetno zračenje vrlo visoke frekvencije i stoga su fotoni visoke energije. Nastaju kada se jezgra raspadnu dok prelaze iz stanja visoke energije u niže stanje poznato kao gama raspad. Većina nuklearnih reakcija je praćena gama zračenjem.
- Emisija neutrona. Emisija neutrona je vrsta radioaktivnog raspada jezgara koja sadrži višak neutrona (posebno produkata fisije), pri čemu se neutron jednostavno izbacuje iz jezgra. Ovaj tipzračenje igra ključnu ulogu u kontroli nuklearnih reaktora jer ovi neutroni kasne.
Energija
Q-vrijednost energije nuklearne reakcije je količina energije koja se oslobađa ili apsorbuje tokom reakcije. Zove se energetski bilans, ili Q-vrijednost reakcije. Ova energija se izražava kao razlika između kinetičke energije proizvoda i količine reaktanta.
Opšti 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 energetski bilans.
Q-vrijednost NR se odnosi na energiju oslobođenu ili apsorbiranu u reakciji. Naziva se i NR energetski bilans, koji može biti pozitivan ili negativan u zavisnosti od prirode.
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 reakcije se izvode apsorpcijom energije.
U nuklearnoj fizici, takve reakcije su definirane Q-vrijednošću, kao razlika između zbira masa početnih reaktanata i konačnih proizvoda. Mjeri se u energetskim jedinicama MeV. Razmotrite tipičnu reakciju u kojoj projektil a i cilj A daju dva proizvoda B i b.
Ovo 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 sa viškom kinetičke energije finalnih proizvoda:
Q=T konačni - T početni
Za reakcije u kojima dolazi do povećanja kinetičke energije proizvoda, Q je pozitivan. Pozitivne Q reakcije se nazivaju egzotermne (ili egzogene).
Postoji neto oslobađanje energije, pošto 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 supstance 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 ugljenikom. Tokom beta raspada, ugljenik 14 se pretvara u azot 14. U trenutku smrti, organizmi prestaju da proizvode ugljenik 14. Pošto je poluživot konstantan, odnos ugljenika 14 i azota 14 daje meru starosti uzorka.
U medicinskom polju, energetski izvori nuklearnih reakcija su radioaktivni izotopi kob alta 60, koji se koristio za terapiju zračenjem za smanjenje tumora koji će kasnije biti uklonjeni hirurškim putem, ili za ubijanje ćelija raka u neoperabilnimtumori. Kada se raspadne u stabilan nikl, emituje dvije relativno visoke energije - gama zrake. Danas ga zamjenjuju sistemi radioterapije elektronskim snopom.
Poluživot izotopa iz nekih uzoraka:
- oxygen 16 - beskonačno;
- uranijum 238 - 4,460,000,000 godina;
- uranijum 235 - 713,000,000 godina;
- ugljik 14 - 5,730 godina;
- kob alt 60 - 5, 27 godina;
- srebro 94 - 0,42 sekunde.
Radiokarbonsko datiranje
Vrlo stalnom brzinom, nestabilni ugljenik 14 postepeno se raspada u ugljenik 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 poređenjem sa međunarodnom standardnom referencom.
Uticaj radiokarbonskog datiranja na savremeni svet učinio ga je jednim od najznačajnijih otkrića 20. veka. Biljke i životinje asimiliraju ugljik 14 iz ugljičnog dioksida tijekom svog života. Kada umru, prestaju da razmjenjuju ugljik sa biosferom, a njihov sadržaj ugljika 14 počinje opadati brzinom određenom zakonom radioaktivnog raspada.
Radiokarbonsko datiranje je u suštini metoda za mjerenje preostale radioaktivnosti. Znajući koliko je ugljenika 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 radiokarbonata
Postoje tri glavne metode koje se koriste za mjerenje ugljika 14 u bilo kojem proporcionalnom proračunu uzorka, tečnom scintilacijskom brojaču i akceleratorskoj masenoj spektrometriji.
Proporcionalno brojanje gasova je uobičajena tehnika radiometrijskog datiranja koja uzima u obzir beta čestice koje emituje dati uzorak. Beta čestice su produkti raspada radiokarbona. U ovoj metodi, uzorak ugljika se prvo pretvara u plin ugljični dioksid prije nego što se mjeri u plinskim proporcionalnim mjeračima.
Brojanje scintilacione tečnosti je još jedna metoda radiokarbonskog datiranja koja je bila popularna 1960-ih. U ovoj metodi uzorak je u tečnom obliku i dodaje se scintilator. Ovaj scintilator stvara bljesak svjetlosti kada stupi u interakciju s beta česticom. Epruveta za uzorak prolazi između dva fotomultiplikatora i kada oba uređaja registruju bljesak svjetlosti, vrši se brojanje.
Prednosti nuklearne nauke
Zakoni nuklearnih reakcija koriste se u širokom spektru grana nauke i tehnologije, kao što su medicina, energija, geologija, zaštita svemira i životne sredine. Nuklearna medicina i radiologija su medicinske prakse koje uključuju upotrebu zračenja ili radioaktivnosti za dijagnozu, liječenje i prevenciju.bolesti. Dok je radiologija u upotrebi skoro jedno stoljeće, termin "nuklearna medicina" počeo se koristiti prije otprilike 50 godina.
Nuklearna energija je u upotrebi decenijama i jedna je od najbrže rastućih energetskih opcija za zemlje koje traže energetsku sigurnost i rješenja za uštedu energije sa niskim emisijama.
Arheolozi koriste širok spektar nuklearnih metoda za određivanje starosti predmeta. Artefakti kao što su Torinski pokrov, svici s Mrtvog mora i kruna Karla Velikog mogu se datirati i potvrditi korištenjem nuklearnih tehnika.
Nuklearne tehnike se koriste u poljoprivrednim zajednicama za borbu protiv bolesti. Radioaktivni izvori se široko koriste u rudarskoj industriji. Na primjer, koriste se u ispitivanju bez razaranja blokada u cjevovodima i zavarenim spojevima, pri mjerenju gustine probijenog materijala.
Nuklearna nauka igra vrijednu ulogu u pomaganju da razumijemo historiju naše okoline.
