Nukleær reaksjon (NR) - en prosess der kjernen til et atom endres ved å knuse eller kombineres med kjernen til et annet atom. Dermed må det føre til transformasjon av minst ett nuklid til et annet. Noen ganger, hvis en kjerne samhandler med en annen kjerne eller partikkel uten å endre naturen til noen nuklid, blir prosessen referert til som kjernefysisk spredning. Mest bemerkelsesverdig er kanskje fusjonsreaksjonene til lette elementer, som påvirker energiproduksjonen til stjerner og sola. Naturlige reaksjoner forekommer også i samspillet mellom kosmiske stråler og materie.
Naturlig atomreaktor
Den mest bemerkelsesverdige menneskekontrollerte reaksjonen er fisjonsreaksjonen som oppstår i atomreaktorer. Dette er enheter for å starte og kontrollere en kjernefysisk kjedereaksjon. Men det er ikke bare kunstige reaktorer. Verdens første naturlige atomreaktor ble oppdaget i 1972 ved Oklo i Gabon av den franske fysikeren Francis Perrin.
Betingelsene under hvilke den naturlige energien til en kjernefysisk reaksjon kunne genereres ble forutsagt i 1956 av Paul Kazuo Kuroda. Det eneste kjente stedet iverden består av 16 steder der selvopprettholdende reaksjoner av denne typen skjedde. Dette antas å ha vært for rundt 1,7 milliarder år siden og fortsatte i flere hundre tusen år, noe som fremgår av xenonisotoper (en fisjonsproduktgass) og varierende forhold mellom U-235/U-238 (anrikning av naturlig uran).
Atomfisjon
Plottet med bindingsenergi antyder at nuklider med en masse større enn 130 a.m.u. bør spontant skilles fra hverandre for å danne lettere og mer stabile nuklider. Eksperimentelt har forskere funnet ut at spontane fisjonsreaksjoner av elementene i en kjernereaksjon bare forekommer for de tyngste nuklidene med et massetall på 230 eller mer. Selv om dette er gjort, går det veldig sakte. Halveringstiden for spontan fisjon av 238 U, for eksempel, er 10-16 år, eller omtrent to millioner ganger lengre enn alderen på planeten vår! Fisjonsreaksjoner kan induseres ved å bestråle prøver av tunge nuklider med langsomme termiske nøytroner. For eksempel, når 235 U absorberer et termisk nøytron, brytes det i to partikler med ujevn masse og frigjør i gjennomsnitt 2,5 nøytroner.
Absorpsjonen av 238 U-nøytronet induserer vibrasjoner i kjernen, som deformerer den til den brytes i fragmenter, akkurat som en væskedråpe kan knuses til mindre dråper. Mer enn 370 datternuklider med atommasser mellom 72 og 161 f.m.u. dannes under fisjon av et termisk nøytron 235U, inkludert to produkter,vist nedenfor.
Isotoper av en kjernefysisk reaksjon, som uran, gjennomgår indusert fisjon. Men den eneste naturlige isotopen 235 U er tilstede i overflod på bare 0,72%. Den induserte fisjonen av denne isotopen frigjør et gjennomsnitt på 200 MeV per atom, eller 80 millioner kilojoule per gram av 235 U. Tiltrekningen av kjernefysisk fisjon som energikilde kan forstås ved å sammenligne denne verdien med 50 kJ/g som frigjøres når naturlig gass er brent.
Første atomreaktor
Den første kunstige atomreaktoren ble bygget av Enrico Fermi og medarbeidere under University of Chicago fotballstadion og satt i drift 2. desember 1942. Denne reaktoren, som produserte flere kilowatt kraft, bestod av en haug med 385 tonn grafittblokker stablet i lag rundt et kubikkgitter på 40 tonn uran og uranoksid. Spontan fisjon av 238 U eller 235 U i denne reaktoren ga svært få nøytroner. Men det var nok uran, så ett av disse nøytronene induserte fisjon av 235 U-kjernen, og frigjorde dermed et gjennomsnitt på 2,5 nøytroner, som katalyserte fisjon av ytterligere 235 U-kjerner i en kjedereaksjon (kjernereaksjoner).
Mengden sp altbart materiale som kreves for å opprettholde en kjedereaksjon kalles kritisk masse. De grønne pilene viser sp altningen av urankjernen i to fisjonsfragmenter som sender ut nye nøytroner. Noen av disse nøytronene kan utløse nye fisjonsreaksjoner (svarte piler). Noe avnøytroner kan gå tapt i andre prosesser (blå piler). Røde piler viser forsinkede nøytroner som kommer senere fra radioaktive fisjonsfragmenter og kan utløse nye fisjonsreaksjoner.
Betegnelse for kjernefysiske reaksjoner
La oss se på de grunnleggende egenskapene til atomer, inkludert atomnummer og atommasse. Atomnummeret er antall protoner i kjernen til et atom, og isotoper har samme atomnummer, men varierer i antall nøytroner. Hvis startkjernene er betegnet a og b, og produktkjernene er betegnet c og d, kan reaksjonen representeres ved ligningen du kan se nedenfor.
Hvilke kjernefysiske reaksjoner opphever for lette partikler i stedet for å bruke fullstendige ligninger? I mange situasjoner brukes den kompakte formen for å beskrive slike prosesser: a (b, c) d er ekvivalent med a + b som produserer c + d. Lyspartikler blir ofte forkortet: vanligvis står p for proton, n for nøytron, d for deuteron, α for alfa eller helium-4, β for beta eller elektron, γ for gammafoton, osv.
Typer kjernefysiske reaksjoner
Selv om antallet mulige slike reaksjoner er enormt, kan de sorteres etter type. De fleste av disse reaksjonene er ledsaget av gammastråling. Her er noen eksempler:
- Elastisk spredning. Oppstår når ingen energi overføres mellom målkjernen og den innkommende partikkelen.
- Uelastisk spredning. Oppstår når energi overføres. Forskjellen i kinetiske energier er bevart i den eksiterte nukliden.
- Fang inn reaksjoner. både belastet ognøytrale partikler kan fanges opp av kjerner. Dette er ledsaget av utslipp av ɣ-stråler. Partiklene av kjernereaksjoner i nøytronfangsreaksjonen kalles radioaktive nuklider (indusert radioaktivitet).
- Sendingsreaksjoner. Absorpsjonen av en partikkel, ledsaget av utslipp av en eller flere partikler, kalles en overføringsreaksjon.
- Fisjonsreaksjoner. Kjernefisjon er en reaksjon der kjernen til et atom deles i mindre biter (lettere kjerner). Fisjonsprosessen produserer ofte frie nøytroner og fotoner (i form av gammastråler) og frigjør store mengder energi.
- Fusjonsreaksjoner. Oppstår når to eller flere atomkjerner kolliderer med svært høy hastighet og kombineres for å danne en ny type atomkjerner. Deuterium-tritium fusjon kjernefysiske partikler er av spesiell interesse på grunn av deres potensial til å gi energi i fremtiden.
- Splittende reaksjoner. Oppstår når en kjerne blir truffet av en partikkel med nok energi og fart til å slå ut noen få små fragmenter eller bryte den i mange fragmenter.
- Omorganiseringsreaksjoner. Dette er absorpsjon av en partikkel, ledsaget av utslipp av en eller flere partikler:
- 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
Ulike omorganiseringsreaksjoner endrer antall nøytroner og antall protoner.
Nukleært forfall
Kjernereaksjoner oppstår når et ustabilt atom mister energi gjennomstråling. Det er en tilfeldig prosess på nivå med enkeltatomer, siden det ifølge kvanteteorien er umulig å forutsi når et enkelt atom vil forfalle.
Det finnes mange typer radioaktivt forfall:
- Alfa-radioaktivitet. Alfa-partikler er bygd opp av to protoner og to nøytroner bundet sammen med en partikkel som er identisk med en heliumkjerne. På grunn av sin veldig store masse og ladning, ioniserer den materialet kraftig og har svært kort rekkevidde.
- Beta-radioaktivitet. Det er høy-energi, høyhastighets positroner, eller elektroner, som sendes ut fra visse typer radioaktive kjerner, for eksempel kalium-40. Beta-partikler har et større penetrasjonsområde enn alfapartikler, men fortsatt mye mindre enn gammastråler. Utstøpte beta-partikler er en form for ioniserende stråling, også kjent som kjernekjedereaksjon beta-stråler. Produksjonen av beta-partikler kalles beta-forfall.
- Gamma-radioaktivitet. Gammastråler er elektromagnetisk stråling med svært høy frekvens og er derfor høyenergifotoner. De dannes når kjernene forfaller når de går fra en høyenergitilstand til en lavere tilstand kjent som gammaforfall. De fleste kjernefysiske reaksjoner er ledsaget av gammastråling.
- Nøytronutslipp. Nøytronutslipp er en type radioaktivt henfall av kjerner som inneholder overskudd av nøytroner (spesielt fisjonsprodukter), der nøytronet ganske enkelt kastes ut av kjernen. Denne typenstråling spiller en nøkkelrolle i kontrollen av atomreaktorer fordi disse nøytronene er forsinket.
Energy
Q-verdien av energien til en kjernereaksjon er mengden energi som frigjøres eller absorberes under reaksjonen. Det kalles energibalansen, eller Q-verdien til reaksjonen. Denne energien uttrykkes som forskjellen mellom den kinetiske energien til produktet og mengden av reaktanten.
Generelt syn på reaksjonen: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), der x og X er reaktanter, og y og Y er reaksjonsprodukt, som kan bestemme energien til en kjernereaksjon, Q er energibalansen.
Q-verdi NR refererer til energien som frigjøres eller absorberes i en reaksjon. Det kalles også NR-energibalansen, som kan være positiv eller negativ avhengig av arten.
Hvis Q-verdien er positiv, vil reaksjonen være eksoterm, også k alt eksoergisk. Hun frigjør energi. Hvis Q-verdien er negativ, er reaksjonen endoergisk eller endoterm. Slike reaksjoner utføres ved å absorbere energi.
I kjernefysikk er slike reaksjoner definert av Q-verdien, som forskjellen mellom summen av massene til de opprinnelige reaktantene og sluttproduktene. Det måles i energienheter MeV. Tenk på en typisk reaksjon der prosjektil a og mål A gir etter for to produkter B og b.
Dette kan uttrykkes slik: a + A → B + B, eller til og med i en mer kompakt notasjon - A (a, b) B. Typer av energier i en kjernereaksjon og betydningen av denne reaksjonenbestemt av formelen:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, som sammenfaller med den overskytende kinetiske energien til sluttproduktene:
Q=T final - T initial
For reaksjoner der det er en økning i den kinetiske energien til produktene, er Q positiv. Positive Q-reaksjoner kalles eksoterme (eller eksogene).
Det er en netto frigjøring av energi, siden den kinetiske energien til slutttilstanden er større enn i starttilstanden. For reaksjoner der en reduksjon i den kinetiske energien til produktene observeres, er Q negativ.
Halveringstid
Halveringstiden til et radioaktivt stoff er en karakteristisk konstant. Den måler tiden som kreves for at en gitt mengde materie skal halveres gjennom forfall og derfor stråling.
Arkeologer og geologer bruker halveringstiden til dags dato på organiske gjenstander i en prosess kjent som karbondatering. Under beta-nedbrytning omdannes karbon 14 til nitrogen 14. Ved dødstidspunktet slutter organismer å produsere karbon 14. Fordi halveringstiden er konstant, gir forholdet mellom karbon 14 og nitrogen 14 et mål på alderen til prøven.
I det medisinske feltet er energikildene for kjernefysiske reaksjoner radioaktive isotoper av Cob alt 60, som har blitt brukt til strålebehandling for å krympe svulster som senere vil bli fjernet kirurgisk, eller for å drepe kreftceller i inoperablesvulster. Når det forfaller til stabilt nikkel, sender det ut to relativt høye energier – gammastråler. I dag blir den erstattet av elektronstrålebehandlingssystemer.
Isotophalveringstid fra noen prøver:
- oksygen 16 - uendelig;
- uranium 238 - 4 460 000 000 år;
- uranium 235 - 713 000 000 år;
- karbon 14 - 5730 år;
- kobolt 60 - 5, 27 år gammel;
- sølv 94 - 0,42 sekunder.
Radiokarbondatering
I en veldig jevn hastighet forfaller ustabilt karbon 14 gradvis til karbon 12. Forholdet mellom disse karbonisotopene avslører alderen til noen av jordens eldste innbyggere.
Radiokarbondatering er en metode som gir objektive estimater av alderen på karbonbaserte materialer. Alder kan estimeres ved å måle mengden karbon 14 som er tilstede i en prøve og sammenligne den med en internasjonal standardreferanse.
Påvirkningen av radiokarbondatering på den moderne verden har gjort den til en av de mest betydningsfulle oppdagelsene på 1900-tallet. Planter og dyr assimilerer karbon 14 fra karbondioksid gjennom hele livet. Når de dør, slutter de å utveksle karbon med biosfæren, og innholdet av karbon 14 begynner å synke med en hastighet som bestemmes av loven om radioaktivt forfall.
Radiokarbondatering er i hovedsak en metode for å måle restradioaktivitet. Når du vet hvor mye karbon 14 som er igjen i prøven, kan du finne utorganismens alder da den døde. Det bør bemerkes at resultatene av radiokarbondatering viser når organismen var i live.
Grunnleggende metoder for måling av radiokarbon
Det er tre hovedmetoder som brukes for å måle karbon 14 i en gitt proporsjonal beregning av prøvetakeren, væskescintillasjonsteller og akseleratormassespektrometri.
Proportional gastelling er en vanlig radiometrisk dateringsteknikk som tar hensyn til beta-partiklene som sendes ut av en gitt prøve. Beta-partikler er nedbrytningsprodukter av radiokarbon. I denne metoden blir karbonprøven først omdannet til karbondioksidgass før den måles i gasproporsjonale meter.
Scintillasjonsvæsketelling er en annen metode for radiokarbondatering som var populær på 1960-tallet. I denne metoden er prøven i flytende form og en scintillator tilsettes. Denne scintillatoren lager et lysglimt når den samhandler med en beta-partikkel. Prøverøret føres mellom to fotomultiplikatorer, og når begge enhetene registrerer et lysglimt, foretas en telling.
The Benefits of Nuclear Science
Lovene for kjernefysiske reaksjoner brukes i en lang rekke grener av vitenskap og teknologi, som medisin, energi, geologi, romfart og miljøvern. Nukleærmedisin og radiologi er medisinsk praksis som involverer bruk av stråling eller radioaktivitet for diagnose, behandling og forebygging.sykdommer. Mens radiologi har vært i bruk i nesten et århundre, begynte begrepet "nukleærmedisin" å bli brukt for rundt 50 år siden.
Kjernekraft har vært i bruk i flere tiår og er et av de raskest voksende energi alternativene for land som søker energisikkerhet og energispareløsninger med lave utslipp.
Arkeologer bruker et bredt spekter av kjernefysiske metoder for å bestemme alderen på gjenstander. Gjenstander som likkledet i Torino, Dødehavsrullene og Karl den Stores krone kan dateres og autentiseres ved hjelp av kjernefysiske teknikker.
Kjernefysiske teknikker brukes i landbrukssamfunn for å bekjempe sykdom. Radioaktive kilder er mye brukt i gruveindustrien. De brukes for eksempel i ikke-destruktiv testing av blokkeringer i rørledninger og sveiser, ved måling av tettheten til utstanset materiale.
Atomvitenskap spiller en verdifull rolle i å hjelpe oss å forstå historien til miljøet vårt.
