Jedrske reakcije: vrste, zakoni

Jedrska reakcija (NR) je proces, pri katerem se jedro atoma spremeni z drobljenjem ali povezovanjem z jedrom drugega atoma. Tako mora pripeljati do pretvorbe vsaj enega nuklida v drugega. Včasih, če jedro komunicira z drugim jedrom ali delcem brez spreminjanja narave katerega koli nukleida, se proces nanaša na jedrsko razpršitev. Morda so najbolj opazne reakcije jedrska fuzija

Naravni jedrski reaktor

Najbolj opazna reakcija, ki jo nadzira človek, je reakcija fisije, ki se pojavi v jedrskih reaktorjih. To so naprave za začetek in spremljanje jedrske verižne reakcije. Vendar ni le umetnih reaktorjev. Prvi naravni jedrski reaktor na svetu je bil leta 1972 odkrit leta 1972 v Oklu v Gabonu s strani francoskega fizika Francisa Perrina.

Pogoje, v katerih bi lahko ustvarili naravno energijo jedrske reakcije, je leta 1956 napovedal Paul Kazuo Kuroda. Edini poznani kraj na svetu je sestavljen iz 16 mest, v katerih so se pojavile samo-vzdrževalne reakcije te vrste. Menijo, da je bilo to pred približno 1,7 milijarde let in je še naprej za več sto tisoč let, je bilo potrjeno, da je prisotnost ksenonskih izotopov (plinasti produkt fisije) in drugačno razmerje U-235 / U-238 (obogatitev naravnega urana).

Jedrska fisija

Graf energijske vezave predpostavlja, da so nuklidi z maso večjo od 130 amu. bi se morali spontano ločiti drug od drugega, da bi se oblikovali lažji in stabilnejši nuklidi. Eksperimentalno so znanstveniki ugotovili, da se spontane reakcije fisije jedrskih reakcijskih elementov pojavijo le pri najtežjih nuclidih z masnim številom 230 ali več. Tudi če je to storjeno, je zelo počasno. Razpolovni čas za spontano cepitev 238 U je npr. 10-16 let ali približno dva milijona krat daljša od starosti našega planeta! Z obsevanjem težkih vzorcev nukleida s počasnimi termičnimi nevtroni se lahko inducirajo cepitvene reakcije. Na primer, ko 235 U absorbira termični nevtron, se razdeli na dva delca z neenakomerno maso in sprošča povprečno 2,5 neutrona.

238 U absorpcije nevtronov povzroča vibracije v jedru, ki ga deformirajo tako dolgo, dokler ne bo prekinil na koščke, saj lahko tekočina kapljic letijo na manjše kapljice. Več kot 370 hčerinskih nucidov z atomskimi masami med 72 in 161 amu. nastajajo s cepitvijo termičnih nevtronov 235U, vključno z dvema produktoma, prikazanima spodaj.

Izotopi jedrske reakcije, kot je uran, so izpostavljeni indukciji cepitve. Toda edini naravni izotop 235 U je prisoten v obilju le 0,72%. Inducirana cepitev tega izotopa sprosti povprečno 200 MeV na atom ali millionov 80 kalorij na gram 235 U. privabljanje jedrske cepitve kot vira energije je mogoče razumeti s primerjavo te vrednosti z 50 kJ / g se sprosti ob izgorevanju zemeljskega plina.

Prvi jedrski reaktor

Prvi umetni jedrski reaktor je zgradil Enrico Fermi in zaposleni pod nogometnim stadionom Univerze v Chicagu, ki je začel delovati 2. decembra 1942. Ta reaktor, ki proizvaja nekaj kilovatov moči, sestavljen iz kupa grafitnih blokov z maso 385 ton, večplastna okoli kubični rešetke 40 ton urana in uranovega oksida. Spontana fisija 238 U ali 235 U v tem reaktorju je povzročila zelo majhno število nevtronov. Toda dovolj je bilo dovolj urana, zato je eden od teh nevtronov povzročil delitev jedra 235 U, s čimer je v verižni reakciji (jedrske reakcije) sproščeno povprečje 2,5 nevtronov, ki so katalizirali cepitev dodatnih 235 jeder.

Imenujemo količino cepljivega materiala, ki je potreben za vzdrževanje verižne reakcije kritična masa. Zelene puščice kažejo delitev jedra urana v dveh delcih fisije, ki oddajajo nove nevtrone. Nekateri od teh nevtronov lahko povzročijo nove reakcije cepenja (črne puščice). Nekatere nevtrone lahko izgubimo v drugih procesih (modre puščice). Rdeče puščice kažejo zapoznele nevtrone, ki pridejo kasneje iz radioaktivnih fragmentov cepitve in lahko povzročijo nove reakcije cepitve.

Označevanje jedrskih reakcij

Razmislimo o osnovnih lastnostih atomov, vključno z atomskim številom in atomsko maso. Atomsko število je število protonov v jedru atomov, izotopi pa imajo enako atomsko število, vendar se razlikujejo glede na število nevtronov. Če je začetno jedro označeno z a in b, in označena zrna izdelka z in d, potem reakcija lahko predstavlja enačba, ki jo lahko vidite spodaj.

Katere jedrske reakcije namesto uporabe popolnih enačb zmanjšate za lahke delce? V mnogih primerih se za opis takih postopkov uporablja kompaktna oblika: a (b, c) d je enakovreden a + b, proizvajajo c + d. Lahki delci so pogosto zmanjšani: navadno str pomeni proton, n - nevtron, d - deuteron, alfa- - alfa-delcev ali helija-4, beta- - beta-delcev ali elektronov, gama- - gama-fotona in tako naprej.

Vrste jedrskih reakcij

Čeprav je število možnih takšnih reakcij ogromno, jih je mogoče razvrstiti po vrsti. Večino teh reakcij spremlja gama sevanja. Tukaj je nekaj primerov:

1. Elastično razprševanje. Nastane, ko se energija med ciljnim jedrom in delom incidenta ne prenese.
2. Neelastično razprševanje. Pojavi se, ko se energija prenaša. Razlika v kinetičnih energijah se ohranja v vzbujenega nukleida.
3. Reakcijsko zajemanje. Oba nabita in nevtralna delca lahko zajamejo jedro. To spremlja emisija ɣ-žarkov. Delci jedrskih reakcij med zajemom nevtronov imenujemo radioaktivne nuklide (inducirana radioaktivnost).
4. Reakcije prenosa. Absorpcija delca, ki jo spremlja emisija enega ali več delcev, se imenuje reakcija prenosa.
5. Reakcije fisije. Jedrska fisija je reakcija, v kateri je jedro atoma razdeljeno na manjše dele (lažje jedro). Proces cepitve pogosto vodi do nastanka prostih nevtronov in fotonov (v obliki gama žarkov) in sprošča veliko količino energije.
6. Reakcije fuzije. Pojavijo se, ko dve ali več atomskih jeder trčijo z zelo visoko stopnjo in se združita, da tvorita novo vrsto atomskega jedra. Delci jedrskih fuzijskih reakcij devterija in tritija so še posebej zanimivi zaradi njihovega potenciala za zagotavljanje energije v prihodnosti.
7. Razdelitvene reakcije. Pojavijo se, ko jedro prizadene delec z zadostno energijo in zagonom, da izbriše nekaj majhnih drobcev ali ga razdre na veliko drobcev.
8. Preoblikovanje reakcij. 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, 2n) 56Ni
• 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Različne reorganizacijske reakcije spremenijo število nevtronov in število protonov.

Jedrsko razpadanje

Jedrske reakcije se pojavijo, ko nestabilen atom izgubi energijo zaradi sevanja. To je naključen proces na ravni posameznih atomov, ker glede na kvantno teorijo ni mogoče napovedati, kdaj se bo en atom razkrojil.

Obstaja veliko vrst radioaktivnih razpadov:

1. Alfa radioaktivnost. Delci alfa so sestavljeni iz dveh protonov in dveh nevtronov, ki sta povezana z delcem, ki je enak jedru helija. Zaradi zelo velike mase in njenega naboja močno ionizira material in ima zelo majhen obseg.
2. Beta radioaktivnost. Predstavlja visokoenergetske positrone visoke hitrosti ali elektrone, ki jih oddajajo nekatere vrste radioaktivnih jeder, kot je kalij-40. Beta delci imajo večji obseg penetracije kot delci alfa, vendar še vedno veliko manj kot gama žarki. Zavrženi beta delci so oblika ionizirajočega sevanja, znanega tudi kot beta-žarki verižne jedrske reakcije. Proizvodnja beta delcev imenujemo beta propad.
3. Radioaktivnost gama. Gamma žarki so elektromagnetno sevanje zelo visoke frekvence in zato so visokonapetostni fotoni. Nastanejo med razpadom jeder, ko prehajajo iz stanja visoke energije v nižje stanje, znano kot razpadanje gama. Večino jedrskih reakcij spremlja gama sevanje.
4. Nevtronska emisija. Nevtronska emisija je vrsta radioaktivnega razpada jeder, ki vsebujejo presežne nevtrone (zlasti fisijske produkte), v katerih se nevtron enostavno izlije iz jedra. Ta vrsta sevanje ima ključno vlogo pri upravljanju z jedrskimi reaktorji, ker se ti nevtroni zamujajo.

Power Engineering

Q-vrednost jedrske reakcijske energije je količina energije, sproščene ali absorbirane med reakcijo. Imenuje se energetsko ravnotežje ali Q-vrednost reakcije. Ta energija je izražena kot razlika med kinetično energijo proizvoda in vrednostjo reagenta.

Splošna oblika reakcije: x + X- ⟶ y + y + Qhellip-hellip- (i) x + X- ⟶ y + y + Qhellip-hellip- (i), kadar x in X so reagenti in y in Y - produkt reakcije, ki lahko določi energijo jedrske reakcije, je Q energijsko bilanco.

Q-vrednost NR pomeni energijo, ki se sprosti ali absorbira v reakciji. Imenuje se tudi energijsko bilanco NR, ki je lahko pozitivna ali negativna glede na naravo.

Če je Q-vrednost pozitivna, bo reakcija eksotermna, se tudi imenuje eksoergična. Izpušča energijo. Če je vrednost Q negativna, je reakcija endoergična ali endotermična. Take reakcije se izvajajo zaradi absorpcije energije.

V jedrski fiziki se podobne reakcije določijo z vrednostjo Q kot razliko med seštevkom mas začetnih reagentov in končnih izdelkov. Izmeri se v energijskih enotah MeV. Razmislite o tipični reakciji, v kateri projektil a in namen A nižji od dveh izdelkov B in b.

To lahko izrazimo kot: a + A → B + B ali celo v bolj kompaktnem zapisu - A (a, b) B. Vrste energij v jedrski reakciji in vrednost te reakcije so določene s formulo:

Q = [m a + m A - (m b + m B)] c2,

ki sovpada s presežkom kinetične energije končnih izdelkov:

Q = T končni - T začetni

Za reakcije, v katerih se opazuje povečanje kinetične energije produktov, je Q pozitiven. Pozitivne Q-reakcije imenujemo eksotermne (ali eksogene).

Obstaja neto sproščanje energije, ker je kinetična energija končnega stanja večja kot v začetnem stanju. Za reakcije, v katerih se kinetična energija izdelkov zmanjša, je Q negativen.

Polovičnost

Razpolovna doba radioaktivne snovi je značilna konstanta. Izmeri čas, potreben za zmanjšanje določene količine snovi za polovico zaradi razpada in s tem sevanja.

Arheologi in geologi do zdaj razpolagajo z ekološkimi predmeti v postopku, ki se imenuje ogljik. Med beta razpadom se ogljik 14 pretvori v dušik 14. V času smrti organizmi prenehajo proizvajati ogljik 14. Ker je razpolovna doba konstantna, razmerje med ogljikom 14 in dušikom 14 predstavlja merilo starosti vzorca.

Na medicinskem področju so energetski viri jedrskih reakcij radioaktivni izotopi Cobalta 60, ki so bili uporabljeni za zdravljenje z obsevanjem za zmanjšanje tumorjev, ki se bodo kasneje odstranili kirurško, ali za uničenje rakavih celic pri neoperabilnih tumorjih. Ko se zlomi v stabilen nikelj, oddaja dve relativno visoki energiji - gama sevanja. Danes se zamenjajo s sistemom radioterapije z elektronskim žarkom.

Razpolovna doba izotopov iz nekaterih vzorcev:

• kisik 16 - neskončno;
• uran 238 - 4.460.000.000 let;
• uran 235 - 713.000.000 let;
• ogljik 14 - 5 730 let;
• kobalt 60 - 5,27 let;
• srebro 94 - 0,42 sekunde.

Radiokarbonsko dating

Z zelo stabilno hitrostjo se nestabilni ogljik 14 postopoma razgrajuje v ogljik 12. Razmerje teh ogljikovih izotopov označuje starost nekaterih najstarejših prebivalcev Zemlje.

Radiokarbonsko dating je metoda, ki zagotavlja objektivne ocene starosti ogljikovih materialov. Starost se lahko oceni z merjenjem količine ogljika 14, ki je prisotna v vzorcu, in jo primerja z mednarodnim standardnim standardom.

Vpliv metode radiokarbonskih podatkov v sodobni svet je postal eno najpomembnejših odkritij 20. stoletja. Rastline in živali v celotnem življenju asimilirajo ogljik 14 iz ogljikovega dioksida. Ko umrejo, prenehajo izmenjavati ogljik z biosfero, vsebnost ogljika v njih pa začne padati s hitrostjo, ki jo določa zakon o radioaktivnem razpadu.

Radiokarbonsko datiranje je v bistvu metoda za merjenje preostale radioaktivnosti. Če vemo, koliko ogljika 14 ostane v vzorcu, lahko ugotovite starost organizma, ko je umrl. Treba je opozoriti, da rezultati iz radiokarbonskih podatkov kažejo, ko je bilo telo živo.

Osnovne metode za merjenje radioaktivnega ogljika

Za merjenje vsebnosti ogljika 14 pri vsakem proporcionalnem izračunu vzorčevalnika, tekočem scintilacijskemu števcu in masni spektrometri pospeševalnika se uporabljajo tri glavne metode.

Proporcionalno štetje plinov je običajna tehnika radiometričnega dating, ki upošteva beta delce, ki jih oddaja ta vzorec. Beta delci so produkti razpadanja radioaktivnega ogljika. V tej metodi se vzorec ogljika najprej pretvori v plinasti ogljikov dioksid pred merjenjem v proporcionalnih števcih plina.

Scintilacijsko štetje tekočin je še ena metoda radiokarbonskih podatkov, ki je bila priljubljena v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. V tej metodi je vzorec v tekoči obliki in dodan je scintilator. Ta scintilator ustvari bliskavico svetlobe, ko deluje z beta delci. Preskusna cev z vzorcem se prestavi med dvema fotomultilnima valjema in ko obe napravi zaznata utrip svetlobe, se naredi štetje.

Prednosti jedrske znanosti

Zakoni jedrskih reakcij se uporabljajo v številnih panogah znanosti in tehnologije, kot so medicina, energija, geologija, prostor in varstvo okolja. Jedrska medicina in radiologija so medicinske metode, ki vključujejo uporabo sevanja ali radioaktivnosti za diagnozo, zdravljenje in preprečevanje bolezni. Medtem ko je bila radiologija že skoraj stoletje, se je izraz "jedrska medicina" začel uporabljati pred približno 50 leti.

Jedrska energija se že desetletja uporablja in je ena od najhitreje rastočih energetskih možnosti za države, ki iščejo energetsko varnost in rešitve za varčevanje z energijo z nizkimi emisijami.

Arheologi uporabljajo širok spekter jedrskih tehnik za določitev starosti predmetov. Artefakte, kot so Torino v Torinu, Mrtvega morskega svitka in Karlemagnovo krono, so lahko dated in njihova verodostojnost je preverjena z uporabo jedrskih tehnik.

Jedrske metode se uporabljajo v kmetijskih skupnostih za boj proti boleznim. Radioaktivni viri se pogosto uporabljajo v rudarstvu. Na primer, se uporabljajo pri neuspešnih preskušanjih priklopa cevovodov in zvara, pri merjenju gostote prebodenega materiala.

Jedrska znanost igra pomembno vlogo, saj nam pomaga razumeti zgodovino našega okolja.