Nukleáris reakció (NR) - olyan folyamat, amelyben egy atom magja megváltozik, összezúzva vagy egy másik atom magjával egyesül. Így ennek legalább egy nuklidnak egy másikká átalakulásához kell vezetnie. Néha, ha egy atommag kölcsönhatásba lép egy másik atommaggal vagy részecskével anélkül, hogy megváltoztatná a nuklid természetét, a folyamatot magszórásnak nevezik. Talán a legfigyelemreméltóbbak a fényelemek fúziós reakciói, amelyek befolyásolják a csillagok és a nap energiatermelését. Természetes reakciók a kozmikus sugarak anyaggal való kölcsönhatásában is előfordulnak.
Természetes atomreaktor
A legfigyelemreméltóbb ember által irányított reakció az atomreaktorokban végbemenő hasadási reakció. Ezek olyan eszközök, amelyek nukleáris láncreakciót indítanak és irányítanak. De nem csak mesterséges reaktorok léteznek. A világ első természetes atomreaktorát Francis Perrin francia fizikus fedezte fel 1972-ben a gaboni Okloban.
Paul Kazuo Kuroda 1956-ban jósolta meg azokat a feltételeket, amelyek mellett a nukleáris reakció természetes energiája létrejöhet. Az egyetlen ismert helyA világ 16 helyszínből áll, ahol ilyen típusú önfenntartó reakciók fordultak elő. Ez a feltételezések szerint körülbelül 1,7 milliárd évvel ezelőtt történt, és több százezer évig folytatódott, amint azt a xenon izotópok (hasadási termékgáz) és az U-235/U-238 (természetes urándúsítás) változó aránya bizonyítja.
Atommaghasadás
A kötési energia diagram arra utal, hogy a 130 a.m.-nál nagyobb tömegű nuklidok. spontán módon el kell válniuk egymástól, hogy könnyebb és stabilabb nuklidokat képezzenek. Kísérletileg a tudósok azt találták, hogy a magreakció elemeinek spontán hasadási reakciói csak a legnehezebb, 230 vagy annál nagyobb tömegszámú nuklidok esetében fordulnak elő. Még ha ez meg is történik, nagyon lassú. A 238 U spontán hasadás felezési ideje például 10-16 év, vagyis körülbelül kétmilliószor hosszabb bolygónk koránál! Hasadási reakciók indukálhatók nehéz nuklidok mintáinak lassú termikus neutronokkal történő besugárzásával. Például, amikor 235 U elnyel egy termikus neutront, az két egyenetlen tömegű részecskére szakad, és átlagosan 2,5 neutront szabadít fel.
A 238 U neutron abszorpciója rezgéseket indukál az atommagban, amelyek addig deformálják, amíg darabokra nem törik, ahogyan egy csepp folyadék is kisebb cseppekre törhet. Több mint 370 leánynuklid 72 és 161 év közötti atomtömeggel. a hasadás során egy 235U termikus neutron képződik, köztük két termék,alább látható.
A nukleáris reakció izotópjai, például az urán, indukált hasadáson mennek keresztül. Az egyetlen természetes izotóp, a 235 U azonban csak 0,72%-ban van jelen. Ennek az izotópnak az indukált hasadása atomonként átlagosan 200 MeV-ot, vagyis 235 U grammonként 80 millió kilojoule-t bocsát ki. Az atommaghasadás energiaforrásként való vonzereje megérthető, ha ezt az értéket összehasonlítjuk a természetes állapotban felszabaduló 50 kJ/g-mal. gáz ég.
Első atomreaktor
Az első mesterséges atomreaktort Enrico Fermi és munkatársai építették meg a Chicagói Egyetem futballstadionjában, és 1942. december 2-án helyezték üzembe. Ez a több kilowattnyi teljesítményt produkáló reaktor egy 385 tonna grafitblokkból álló halomból állt, amelyek 40 tonna uránból és urán-oxidból álló köbös rács köré rétegesen halmoztak fel. Ebben a reaktorban 238 U vagy 235 U spontán hasadása nagyon kevés neutront termelt. De volt elég urán, így az egyik neutron a 235 U atommag hasadását idézte elő, ezáltal átlagosan 2,5 neutron szabadult fel, ami további 235 U atommag hasadását katalizálta láncreakcióban (nukleáris reakciók).
A láncreakció fenntartásához szükséges hasadóanyag mennyiségét kritikus tömegnek nevezzük. A zöld nyilak az uránmag kettéhasadását mutatják, amelyek új neutronokat bocsátanak ki. Néhány ilyen neutron új hasadási reakciókat válthat ki (fekete nyilak). Néhánya neutronok más folyamatokban elveszhetnek (kék nyilak). A piros nyilak késleltetett neutronokat mutatnak, amelyek később érkeznek a radioaktív hasadási töredékekből, és új hasadási reakciókat válthatnak ki.
A nukleáris reakciók megnevezése
Nézzük meg az atomok alapvető tulajdonságait, beleértve a rendszámot és az atomtömeget. Az atomszám az atommagban lévő protonok száma, és az izotópok azonos rendszámúak, de különböznek a neutronok számában. Ha a kezdeti magokat a-val és b-vel, a termékmagokat pedig c-vel és d-vel jelöljük, akkor a reakció az alábbi egyenlettel ábrázolható.
Mely nukleáris reakciók hatástalanítják a könnyű részecskéket ahelyett, hogy teljes egyenleteket alkalmaznának? Sok esetben a tömör formát használják az ilyen folyamatok leírására: a (b, c) d ekvivalens a + b-vel, amely c + d-t eredményez. A fényrészecskéket gyakran rövidítik: általában p a proton, n a neutron, d a deuteron, α az alfa vagy a hélium-4, a β a béta vagy az elektron, a γ a gamma foton stb.
A nukleáris reakciók típusai
Bár a lehetséges ilyen reakciók száma óriási, ezek típusok szerint rendezhetők. A legtöbb ilyen reakciót gamma-sugárzás kíséri. Íme néhány példa:
- Elasztikus szórás. Akkor fordul elő, ha nincs energiaátvitel a célmag és a bejövő részecske között.
- Rugalmas szórás. Az energiaátvitel során keletkezik. A kinetikus energiák különbsége megmarad a gerjesztett nuklidban.
- Rögzítse a reakciókat. mind feltöltött, mindsemleges részecskéket magok képesek befogni. Ez ɣ-sugarak kibocsátásával jár együtt. A nukleáris reakciók részecskéit a neutronbefogási reakcióban radioaktív nuklidoknak (indukált radioaktivitásnak) nevezik.
- Átviteli reakciók. Egy részecske abszorpcióját, amelyet egy vagy több részecske kibocsátása kísér, transzferreakciónak nevezzük.
- Hasadási reakciók. Az atommaghasadás olyan reakció, amelyben az atommag kisebb darabokra (könnyebb magokra) hasad. A hasadási folyamat gyakran termel szabad neutronokat és fotonokat (gamma-sugárzás formájában), és nagy mennyiségű energiát szabadít fel.
- Fúziós reakciók. Akkor fordul elő, amikor két vagy több atommag nagyon nagy sebességgel ütközik, és egyesülve új típusú atommagot képez. A deutérium-trícium fúziós nukleáris részecskék különösen érdekesek, mivel képesek a jövőben energiát szolgáltatni.
- Megosztó reakciók. Akkor fordul elő, ha egy atommagot eltalál egy olyan részecske, amelynek elég energiája és lendülete van ahhoz, hogy néhány apró töredéket kiütjön vagy sok darabra széttörjön.
- Átrendeződési reakciók. Ez egy részecske abszorpciója, amelyet egy vagy több részecske kibocsátása kísér:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Ő (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
A különböző átrendeződési reakciók megváltoztatják a neutronok és a protonok számát.
Nukleáris bomlás
A nukleáris reakciók akkor következnek be, amikor egy instabil atom energiát veszítsugárzás. Ez egy véletlenszerű folyamat az egyes atomok szintjén, mivel a kvantumelmélet szerint lehetetlen megjósolni, hogy az egyes atomok mikor bomlanak le.
Sokféle radioaktív bomlás létezik:
- Alfa radioaktivitás. Az alfa-részecskék két protonból és két neutronból állnak, amelyek egy héliummaggal azonos részecskével kapcsolódnak egymáshoz. Nagyon nagy tömegének és töltésének köszönhetően erősen ionizálja az anyagot és nagyon rövid a hatótávolsága.
- Béta radioaktivitás. Nagy energiájú, nagy sebességű pozitronok vagy elektronok, amelyeket bizonyos típusú radioaktív atommagok bocsátanak ki, mint például a kálium-40. A béta-részecskék áthatolási tartománya nagyobb, mint az alfa-részecskéké, de még mindig sokkal kisebb, mint a gamma-sugarak. A kilökődő béta-részecskék az ionizáló sugárzás egy formája, más néven nukleáris láncreakciós béta-sugarak. A béta-részecskék képződését béta-bomlásnak nevezik.
- Gamma radioaktivitás. A gamma-sugárzás nagyon nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzás, ezért nagy energiájú fotonok. Akkor keletkeznek, amikor az atommagok bomlanak, miközben nagy energiájú állapotból alacsonyabb állapotba, gamma-bomlásnak nevezik. A legtöbb magreakciót gamma-sugárzás kíséri.
- Neutronkibocsátás. A neutronemisszió a neutronfelesleget (különösen a hasadási termékeket) tartalmazó atommagok radioaktív bomlásának egy fajtája, amelynek során a neutron egyszerűen kilökődik az atommagból. Ez a típusa sugárzás kulcsszerepet játszik az atomreaktorok szabályozásában, mivel ezek a neutronok késleltetettek.
Energia
A nukleáris reakció energiájának Q-értéke a reakció során felszabaduló vagy elnyelt energia mennyisége. Ezt energiamérlegnek, vagy a reakció Q-értékének nevezik. Ezt az energiát a termék kinetikus energiája és a reaktáns mennyisége közötti különbségként fejezzük ki.
A reakció általános képe: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), ahol x és X reagensek, és y és Y reakciótermék, amely meghatározhatja a magreakció energiáját, Q az energiamérleg.
Q-érték NR a reakció során felszabaduló vagy elnyelt energiára utal. NR energiamérlegnek is nevezik, ami természettől függően lehet pozitív vagy negatív.
Ha a Q-érték pozitív, a reakció exoterm lesz, más néven exoerg. Energiát szabadít fel. Ha a Q-érték negatív, a reakció endoerg vagy endoterm. Az ilyen reakciók energia elnyelésével mennek végbe.
A magfizikában az ilyen reakciókat a Q-érték határozza meg, amely a kiindulási reaktánsok és a végtermékek tömegeinek összege közötti különbség. MeV energiaegységben mérik. Tekintsünk egy tipikus reakciót, amelyben az a lövedék és az A célpont két B és b terméket eredményez.
Ez így fejezhető ki: a + A → B + B, vagy akár tömörebb jelöléssel - A (a, b) B. Energiák típusai a magreakcióban és a reakció jelentésea következő képlet határozza meg:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, amely egybeesik a végtermékek többlet mozgási energiájával:
Q=T végső - T kezdeti
Azoknál a reakcióknál, amelyekben a termékek kinetikus energiája nő, Q pozitív. A pozitív Q reakciókat exotermnek (vagy exogénnek) nevezik.
Van nettó energiafelszabadulás, mivel a végállapot kinetikus energiája nagyobb, mint a kezdeti állapotban. Azoknál a reakcióknál, amelyekben a termékek kinetikus energiája csökken, Q negatív.
Féléletidő
A radioaktív anyag felezési ideje jellemző állandó. Azt az időt méri, amely szükséges ahhoz, hogy egy adott anyagmennyiség a felére csökkenjen a bomlás és ezáltal a sugárzás következtében.
A régészek és geológusok a szerves tárgyak eddigi felezési idejét a szén-kormeghatározásnak nevezett eljárás során használják fel. A béta-bomlás során a 14-es szén nitrogénné 14 alakul. A halál időpontjában az organizmusok leállítják a 14-es széntermelést. Mivel a felezési idő állandó, a 14-es szén és a 14-es nitrogén aránya a minta életkorának mérőszáma.
Az orvostudományban a nukleáris reakciók energiaforrásai a Cob alt 60 radioaktív izotópjai, amelyet sugárterápiára használtak a később sebészi úton eltávolítandó daganatok visszaszorítására vagy a rákos sejtek elpusztítására a nem működőképes sejteken.daganatok. Amikor stabil nikkellé bomlik, két viszonylag nagy energiát bocsát ki – gamma-sugarakat. Ma elektronsugaras sugárterápiás rendszerek váltják fel.
Izotóp felezési ideje egyes mintákból:
- oxigén 16 – végtelen;
- urán 238 - 4 460 000 000 év;
- urán 235 - 713 000 000 év;
- szén 14 - 5730 év;
- kob alt 60-5, 27 éves;
- ezüst 94 – 0,42 másodperc.
Radiokarbon társkereső
Nagyon egyenletes sebességgel az instabil szén 14 fokozatosan 12 szénné bomlik. Ezeknek a szénizotópoknak az aránya a Föld legrégebbi lakóinak korát mutatja.
A radiokarbonos kormeghatározás egy olyan módszer, amely objektív becsléseket ad a szénalapú anyagok korára vonatkozóan. Az életkor megbecsülhető a mintában lévő szén-14 mennyiségének mérésével és egy nemzetközi standard referenciaértékkel való összehasonlításával.
A radiokarbonos kormeghatározás hatása a modern világra a 20. század egyik legjelentősebb felfedezésévé tette. A növények és állatok életük során a szén-dioxidból a 14-et asszimilálják. Amikor meghalnak, leállítják a széncserét a bioszférával, és szén-14-tartalmuk a radioaktív bomlás törvénye által meghatározott ütemben csökkenni kezd.
A radiokarbonos kormeghatározás alapvetően a maradék radioaktivitás mérési módszere. Megtudhatja, hogy mennyi szén 14 maradt a mintábana szervezet kora, amikor megh alt. Meg kell jegyezni, hogy a radiokarbonos kormeghatározás eredményei azt mutatják, hogy a szervezet mikor volt életben.
A radiokarbon mérésének alapvető módszerei
Három fő módszert használnak a szén-14 mérésére bármely adott mintavevő arányos számításánál, folyadékszcintillációs számlálónál és gyorsító tömegspektrometriánál.
Az arányos gázszámlálás egy általános radiometrikus kormeghatározási technika, amely figyelembe veszi az adott minta által kibocsátott béta-részecskéket. A béta-részecskék a radiokarbon bomlástermékei. Ennél a módszernél a szénmintát először szén-dioxid-gázzá alakítják, mielőtt gázarányos mérőkkel mérnék.
A szcintillációs folyadékszámlálás egy másik módszer a radiokarbon kormeghatározásra, amely az 1960-as években volt népszerű. Ennél a módszernél a minta folyékony formában van, és szcintillátort adnak hozzá. Ez a szcintillátor fényvillanást hoz létre, amikor kölcsönhatásba lép egy béta-részecskékkel. A mintacsövet két fénysokszorozó között vezetik át, és amikor mindkét eszköz felvillan, megtörténik a számlálás.
A nukleáris tudomány előnyei
A nukleáris reakciók törvényeit a tudomány és a technológia számos ágában alkalmazzák, mint például az orvostudomány, az energia, a geológia, az űr- és a környezetvédelem. A nukleáris medicina és a radiológia olyan orvosi gyakorlatok, amelyek során sugárzást vagy radioaktivitást alkalmaznak diagnózis, kezelés és megelőzés céljából.betegségek. Míg a radiológiát csaknem egy évszázada használják, a „nukleáris medicina” kifejezést körülbelül 50 évvel ezelőtt kezdték használni.
Az atomenergiát évtizedek óta használják, és az egyik leggyorsabban növekvő energiaforrás az energiabiztonságot és az alacsony kibocsátású energiatakarékos megoldásokat kereső országokban.
A régészek a nukleáris módszerek széles skáláját alkalmazzák az objektumok korának meghatározására. Az olyan tárgyak, mint a torinói lepel, a holt-tengeri tekercsek és Nagy Károly koronája, nukleáris technikák segítségével keltezhetők és hitelesíthetők.
Nukleáris technikákat alkalmaznak a mezőgazdasági közösségekben a betegségek leküzdésére. A radioaktív forrásokat széles körben használják a bányászatban. Például csővezetékek és hegesztési varratok eltömődéseinek roncsolásmentes vizsgálatára, a lyukasztott anyag sűrűségének mérésére használják.
A nukleáris tudomány értékes szerepet játszik abban, hogy segítsen megérteni környezetünk történetét.
