Ядрена реакция (NR) - процес, при който ядрото на атома се променя чрез смачкване или комбиниране с ядрото на друг атом. По този начин той трябва да доведе до превръщането на поне един нуклид в друг. Понякога, ако едно ядро взаимодейства с друго ядро или частица, без да променя природата на който и да е нуклид, процесът се нарича ядрено разсейване. Може би най-забележителни са реакциите на синтез на светлинни елементи, които влияят на производството на енергия на звездите и слънцето. Естествените реакции възникват и при взаимодействието на космическите лъчи с материята.
Природен ядрен реактор
Най-забележителната реакция, контролирана от човека, е реакцията на делене, която се случва в ядрените реактори. Това са устройства за иницииране и контролиране на ядрена верижна реакция. Но има не само изкуствени реактори. Първият в света естествен ядрен реактор е открит през 1972 г. в Окло в Габон от френския физик Франсис Перин.
Условията, при които може да се генерира естествената енергия на ядрена реакция, са предсказани през 1956 г. от Пол Казуо Курода. Единственото известно място вСветът се състои от 16 обекта, в които се появяват самоподдържащи се реакции от този тип. Смята се, че това е било преди около 1,7 милиарда години и е продължило няколкостотин хиляди години, както се вижда от изотопи на ксенон (газ продукт на делене) и различни съотношения на U-235/U-238 (природно обогатяване на уран).
Ядрено делене
Графиката на свързващата енергия предполага, че нуклиди с маса по-голяма от 130 a.m.u. трябва спонтанно да се отделят един от друг, за да образуват по-леки и по-стабилни нуклиди. Експериментално учените са открили, че реакциите на спонтанно делене на елементите на ядрена реакция се случват само за най-тежките нуклиди с масово число 230 или повече. Дори и това да е направено, става много бавно. Периодът на полуразпад за спонтанно делене на 238 U, например, е 10-16 години, или около два милиона пъти по-дълъг от възрастта на нашата планета! Реакциите на делене могат да бъдат предизвикани чрез облъчване на проби от тежки нуклиди с бавни топлинни неутрони. Например, когато 235 U абсорбира термичен неутрон, той се разпада на две частици с неравномерна маса и освобождава средно 2,5 неутрона.
Абсорбцията на неутрона 238 U предизвиква вибрации в ядрото, които го деформират, докато се разпадне на фрагменти, точно както капка течност може да се разпадне на по-малки капчици. Повече от 370 дъщерни нуклида с атомна маса между 72 и 161 a.m.u. се образуват по време на делене от термичен неутрон 235U, включващ два продукта,показано по-долу.
Изотопи на ядрена реакция, като уран, се подлагат на индуцирано делене. Но единственият естествен изотоп 235 U присъства в изобилие само от 0,72%. Индуцираното делене на този изотоп освобождава средно 200 MeV на атом, или 80 милиона килоджаула на грам от 235 U. Привличането на ядреното делене като източник на енергия може да се разбере, като се сравни тази стойност с 50 kJ/g, освободени при естествен газ е изгорен.
Първи ядрен реактор
Първият изкуствен ядрен реактор е построен от Енрико Ферми и сътрудници под футболния стадион на Чикагския университет и пуснат в експлоатация на 2 декември 1942 г. Този реактор, който произвеждаше няколко киловата мощност, се състоеше от купчина от 385 тона графитни блокове, подредени на слоеве около кубична решетка от 40 тона уран и уранов оксид. Спонтанното делене на 238 U или 235 U в този реактор произвежда много малко неутрони. Но имаше достатъчно уран, така че един от тези неутрони предизвика делене на ядрото 235 U, като по този начин освободи средно 2,5 неутрона, което катализира деленето на допълнителни 235 U ядра във верижна реакция (ядрени реакции)..
Количеството делящ се материал, необходимо за поддържане на верижна реакция, се нарича критична маса. Зелените стрелки показват разделянето на урановото ядро на два фрагмента на делене, излъчващи нови неутрони. Някои от тези неутрони могат да предизвикат нови реакции на делене (черни стрелки). Някои отнеутроните могат да бъдат загубени при други процеси (сини стрелки). Червените стрелки показват забавени неутрони, които пристигат по-късно от радиоактивни фрагменти на делене и могат да предизвикат нови реакции на делене.
Обозначение на ядрени реакции
Нека разгледаме основните свойства на атомите, включително атомен номер и атомна маса. Атомният номер е броят на протоните в ядрото на атома, а изотопите имат същия атомен номер, но се различават по броя на неутроните. Ако първоначалните ядра са обозначени a и b, а ядрата на продукта са обозначени c и d, тогава реакцията може да бъде представена с уравнението, което можете да видите по-долу.
Кои ядрени реакции се отменят за леки частици, вместо да се използват пълни уравнения? В много ситуации компактната форма се използва за описание на такива процеси: a (b, c) d е еквивалентно на a + b, произвеждащо c + d. Светлинните частици често се съкращават: обикновено p означава протон, n за неутрон, d за деутрон, α за алфа или хелий-4, β за бета или електрон, γ за гама фотон и т.н.
Видове ядрени реакции
Въпреки че броят на възможните подобни реакции е огромен, те могат да бъдат сортирани по тип. Повечето от тези реакции са придружени от гама лъчение. Ето няколко примера:
- Еластично разпръскване. Възниква, когато не се прехвърля енергия между целевото ядро и входящата частица.
- Нееластично разсейване. Възниква при прехвърляне на енергия. Разликата в кинетичните енергии се запазва във възбудения нуклид.
- Уловете реакции. както заредени, така инеутралните частици могат да бъдат уловени от ядра. Това е придружено от излъчване на ɣ-лъчи. Частиците от ядрените реакции в реакцията на улавяне на неутрони се наричат радиоактивни нуклиди (индуцирана радиоактивност).
- Реакции на предаване. Поглъщането на частица, придружено от излъчване на една или повече частици, се нарича трансферна реакция.
- Реакции на делене. Ядреното делене е реакция, при която ядрото на атома се разделя на по-малки парчета (по-леки ядра). Процесът на делене често произвежда свободни неутрони и фотони (под формата на гама лъчи) и освобождава големи количества енергия.
- Реакции на синтез. Възниква, когато две или повече атомни ядра се сблъскат с много висока скорост и се комбинират, за да образуват нов тип атомно ядро. Ядрените частици от синтез на деутерий-тритий са от особен интерес поради техния потенциал да осигуряват енергия в бъдеще.
- Разделяне на реакции. Възниква, когато ядрото е ударено от частица с достатъчно енергия и импулс, за да избие няколко малки фрагмента или да го разбие на много фрагменти.
- Реакции на пренареждане. Това е абсорбцията на частица, придружена от излъчване на една или повече частици:
- 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
Различните реакции на пренареждане променят броя на неутроните и броя на протоните.
Ядрено разпадане
Ядрени реакции възникват, когато нестабилен атом губи енергия чрезрадиация. Това е случаен процес на ниво единични атоми, тъй като според квантовата теория е невъзможно да се предвиди кога отделният атом ще се разпадне.
Има много видове радиоактивен разпад:
- Алфа радиоактивност. Алфа частиците са съставени от два протона и два неутрона, свързани заедно с частица, идентична на ядрото на хелий. Поради много голямата си маса и заряда си, той силно йонизира материала и има много малък обхват.
- Бета радиоактивност. Това са високоенергийни, високоскоростни позитрони или електрони, излъчвани от някои видове радиоактивни ядра, като калий-40. Бета-частиците имат по-голям обхват на проникване от алфа-частиците, но все пак много по-малък от гама-лъчите. Изхвърлените бета-частици са форма на йонизиращо лъчение, известно също като бета-лъчи с ядрена верижна реакция. Производството на бета частици се нарича бета разпад.
- Гама радиоактивност. Гама лъчите са електромагнитно излъчване с много висока честота и следователно са високоенергийни фотони. Те се образуват, когато ядрата се разпадат, докато преминават от високоенергийно състояние към по-ниско състояние, известно като гама разпад. Повечето ядрени реакции са придружени от гама лъчение.
- Неутронна емисия. Неутронната емисия е вид радиоактивен разпад на ядра, съдържащи излишни неутрони (особено продукти на делене), при който неутронът просто се изхвърля от ядрото. Този видрадиацията играе ключова роля в контрола на ядрените реактори, защото тези неутрони се забавят.
Енергия
Q-стойността на енергията на ядрена реакция е количеството енергия, освободена или погълната по време на реакцията. Нарича се енергиен баланс или Q-стойност на реакцията. Тази енергия се изразява като разлика между кинетичната енергия на продукта и количеството на реагента.
Общ изглед на реакцията: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), където x и X са реагенти, а y и Y са реакционен продукт, който може да определи енергията на ядрена реакция, Q е енергийният баланс.
Q-стойност NR се отнася до енергията, освободена или погълната при реакция. Нарича се още NR енергиен баланс, който може да бъде положителен или отрицателен в зависимост от природата.
Ако Q-стойността е положителна, реакцията ще бъде екзотермична, наричана още екзоергична. Тя освобождава енергия. Ако Q-стойността е отрицателна, реакцията е ендоергична или ендотермична. Такива реакции се осъществяват чрез поглъщане на енергия.
В ядрената физика такива реакции се определят от Q-стойността, като разликата между сбора от масите на първоначалните реагенти и крайните продукти. Измерва се в енергийни единици MeV. Помислете за типична реакция, при която снарядът a и целта A дават два продукта B и b.
Това може да се изрази така: a + A → B + B или дори в по-компактна нотация - A (a, b) B. Видове енергии в ядрена реакция и значението на тази реакцияопределя се по формулата:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, което съвпада с излишната кинетична енергия на крайните продукти:
Q=T окончателен - T начален
За реакции, при които има увеличение на кинетичната енергия на продуктите, Q е положителен. Положителните Q реакции се наричат екзотермични (или екзогенни).
Има нетно освобождаване на енергия, тъй като кинетичната енергия на крайното състояние е по-голяма, отколкото в първоначалното състояние. За реакции, при които се наблюдава намаляване на кинетичната енергия на продуктите, Q е отрицателен.
Полуживот
Периодът на полуразпад на радиоактивно вещество е характерна константа. Той измерва времето, необходимо за намаляване на дадено количество материя наполовина чрез разпадане и следователно радиация.
Археолозите и геолозите използват досегашния полуживот върху органични обекти в процес, известен като въглеродно датиране. По време на бета разпад въглерод 14 се превръща в азот 14. В момента на смъртта организмите спират да произвеждат въглерод 14. Тъй като полуживотът е постоянен, съотношението на въглерод 14 към азот 14 дава мярка за възрастта на пробата.
В медицинската област енергийните източници на ядрените реакции са радиоактивни изотопи на кобалт 60, който е бил използван за лъчева терапия за свиване на тумори, които по-късно ще бъдат отстранени хирургично, или за убиване на ракови клетки в неоперабилнитумори. Когато се разпада до стабилен никел, той излъчва две относително високи енергии - гама лъчи. Днес тя се заменя със системи за лъчетерапия с електронен лъч.
Изотопен полуразпад от някои проби:
- кислород 16 - безкраен;
- уран 238 - 4,460,000,000 години;
- уран 235 - 713 000 000 години;
- въглерод 14 - 5730 години;
- кобалт 60 - 5, 27 години;
- сребро 94 - 0,42 секунди.
Радиовъглеродни запознанства
С много стабилна скорост нестабилният въглерод 14 постепенно се разпада до въглерод 12. Съотношението на тези въглеродни изотопи разкрива възрастта на някои от най-старите жители на Земята.
Радиовъглеродното датиране е метод, който предоставя обективни оценки за възрастта на въглеродните материали. Възрастта може да бъде оценена чрез измерване на количеството въглерод 14, присъстващо в пробата и сравняването му с международна стандартна справка.
Въздействието на радиовъглеродното датиране върху съвременния свят го направи едно от най-значимите открития на 20-ти век. Растенията и животните усвояват въглерод 14 от въглеродния диоксид през целия си живот. Когато умрат, те спират да обменят въглерод с биосферата и тяхното съдържание на въглерод 14 започва да намалява със скорост, определена от закона за радиоактивния разпад.
Радиовъглеродното датиране е по същество метод за измерване на остатъчната радиоактивност. Знаейки колко въглерод 14 е останал в пробата, можете да разберетевъзрастта на организма, когато е умрял. Трябва да се отбележи, че резултатите от радиовъглеродното датиране показват кога организмът е бил жив.
Основни методи за измерване на радиовъглерод
Има три основни метода, използвани за измерване на въглерод 14 във всяко дадено пропорционално изчисление, течен сцинтилационен брояч и ускорителна масспектрометрия.
Пропорционалното броене на газ е често срещана радиометрична техника за датиране, която взема предвид бета-частиците, излъчвани от дадена проба. Бета частиците са продукти на разпад на радиовъглерод. При този метод въглеродната проба първо се превръща в газ въглероден диоксид, преди да бъде измерена в пропорционални газомери.
Преброяването на сцинтилационна течност е друг метод за радиовъглеродно датиране, който беше популярен през 60-те години на миналия век. При този метод пробата е в течна форма и се добавя сцинтилатор. Този сцинтилатор създава светкавица, когато взаимодейства с бета частица. Епруветката за проба се предава между два фотоумножителя и когато и двете устройства регистрират светкавица, се прави преброяване.
Предимствата на ядрената наука
Законите на ядрените реакции се използват в широк спектър от клонове на науката и технологиите, като медицина, енергетика, геология, космос и опазване на околната среда. Ядрената медицина и радиологията са медицински практики, които включват използването на радиация или радиоактивност за диагностика, лечение и превенция.болести. Докато радиологията се използва от почти век, терминът "ядрена медицина" започва да се използва преди около 50 години.
Ядрената енергия се използва от десетилетия и е една от най-бързо развиващите се енергийни възможности за страни, търсещи енергийна сигурност и решения за пестене на енергия с ниски емисии.
Археолозите използват широк спектър от ядрени методи за определяне на възрастта на обектите. Артефакти като Торинската плащаница, Свитъците от Мъртво море и Короната на Карл Велики могат да бъдат датирани и удостоверени с помощта на ядрени техники.
Ядрените техники се използват в селскостопанските общности за борба с болестите. Радиоактивните източници се използват широко в минната индустрия. Например, те се използват при безразрушително изпитване на запушвания в тръбопроводи и заварки, при измерване на плътността на перфорирания материал.
Ядрената наука играе ценна роля, помагайки ни да разберем историята на нашата околна среда.
