Branduolinė reakcija (NR) – procesas, kurio metu pasikeičia atomo branduolys trupant arba susijungiant su kito atomo branduoliu. Taigi tai turi lemti bent vieno nuklido transformaciją į kitą. Kartais, jei branduolys sąveikauja su kitu branduoliu ar dalele nekeičiant jokio nuklido pobūdžio, procesas vadinamas branduolio sklaida. Bene labiausiai pastebimos šviesos elementų sintezės reakcijos, kurios turi įtakos žvaigždžių ir saulės energijos gamybai. Natūralios reakcijos taip pat vyksta sąveikaujant kosminiams spinduliams su medžiaga.
Natūralus branduolinis reaktorius
Žymiausia žmogaus kontroliuojama reakcija yra dalijimosi reakcija, vykstanti branduoliniuose reaktoriuose. Tai įrenginiai, skirti inicijuoti ir valdyti branduolinę grandininę reakciją. Tačiau yra ne tik dirbtiniai reaktoriai. Pirmąjį pasaulyje natūralų branduolinį reaktorių 1972 m. Oklo mieste Gabone atrado prancūzų fizikas Francisas Perrinas.
Sąlygas, kuriomis gali susidaryti natūrali branduolinės reakcijos energija, 1956 m. numatė Paulas Kazuo Kuroda. Vienintelė žinoma vietapasaulį sudaro 16 vietų, kuriose įvyko tokio tipo savaiminės reakcijos. Manoma, kad tai buvo maždaug prieš 1,7 milijardo metų ir tęsėsi kelis šimtus tūkstančių metų, kaip rodo ksenono izotopai (skilimo produktų dujos) ir kintantys U-235/U-238 (natūralaus urano sodrinimo) santykiai.
Branduolio dalijimasis
Surišimo energijos diagrama rodo, kad nuklidai, kurių masė didesnė nei 130 a.m.u. turėtų spontaniškai atsiskirti vienas nuo kito, kad susidarytų lengvesni ir stabilesni nuklidai. Eksperimentiškai mokslininkai nustatė, kad spontaniškos branduolinės reakcijos elementų dalijimosi reakcijos vyksta tik sunkiausiems nuklidams, kurių masės skaičius yra 230 ar daugiau. Net jei tai daroma, tai vyksta labai lėtai. Pavyzdžiui, 238 U savaiminio skilimo pusinės eliminacijos laikas yra 10–16 metų arba maždaug du milijonus kartų ilgesnis už mūsų planetos amžių! Dalijimosi reakcijas galima sukelti apšvitinant sunkiųjų nuklidų mėginius lėtais šiluminiais neutronais. Pavyzdžiui, kai 235 U sugeria šiluminį neutroną, jis skyla į dvi nelygios masės daleles ir išskiria vidutiniškai 2,5 neutrono.
238 U neutrono absorbcija sukelia branduolyje vibracijas, kurios jį deformuoja tol, kol suskaido į fragmentus, lygiai taip pat, kaip skysčio lašas gali suskilti į mažesnius lašelius. Daugiau nei 370 dukterinių nuklidų, kurių atominė masė yra nuo 72 iki 161 a.m.u. dalijimosi metu susidaro terminis neutronas 235U, įskaitant du produktus,parodyta žemiau.
Branduolinės reakcijos izotopai, tokie kaip uranas, sukeltos dalijimosi. Tačiau vienintelis natūralus izotopas 235 U yra tik 0,72 %. Dėl šio izotopo sukelto dalijimosi išskiriama vidutiniškai 200 MeV vienam atomui arba 80 milijonų kilodžaulių vienam gramui 235 U. Branduolio dalijimosi, kaip energijos š altinio, patrauklumą galima suprasti palyginus šią vertę su 50 kJ/g, išsiskiriančiu natūraliai. deginamos dujos.
Pirmasis branduolinis reaktorius
Pirmąjį dirbtinį branduolinį reaktorių pastatė Enrico Fermi ir jo bendradarbiai Čikagos universiteto futbolo stadione ir pradėjo veikti 1942 m. gruodžio 2 d. Šį kelių kilovatų galios reaktorių sudarė krūva 385 tonų grafito blokų, sukrautų sluoksniais aplink 40 tonų urano ir urano oksido kubinę gardelę. Spontaniškas 238 U arba 235 U dalijimasis šiame reaktoriuje pagamino labai mažai neutronų. Tačiau urano buvo pakankamai, todėl vienas iš šių neutronų sukėlė 235 U branduolio dalijimąsi, taip išskirdamas vidutiniškai 2,5 neutrono, o tai katalizavo papildomų 235 U branduolių dalijimąsi grandininėje reakcijoje (branduolinės reakcijos).
Skiliosios medžiagos kiekis, reikalingas grandininei reakcijai palaikyti, vadinamas kritine mase. Žalios rodyklės rodo urano branduolio padalijimą į du dalijimosi fragmentus, išskiriančius naujus neutronus. Kai kurie iš šių neutronų gali sukelti naujas dalijimosi reakcijas (juodos rodyklės). Šiek tiekneutronai gali būti prarasti kituose procesuose (mėlynos rodyklės). Raudonos rodyklės rodo uždelstus neutronus, kurie vėliau patenka iš radioaktyviųjų dalijimosi fragmentų ir gali sukelti naujas dalijimosi reakcijas.
Branduolinių reakcijų žymėjimas
Pažvelkime į pagrindines atomų savybes, įskaitant atominį skaičių ir atominę masę. Atominis skaičius yra protonų skaičius atomo branduolyje, o izotopų atominis skaičius yra toks pat, bet skiriasi neutronų skaičiumi. Jei pradiniai branduoliai žymimi a ir b, o produkto branduoliai žymimi c ir d, tai reakcija gali būti pavaizduota lygtimi, kurią galite pamatyti žemiau.
Kokios branduolinės reakcijos atšaukia šviesiąsias daleles, o ne visas lygtis? Daugeliu atvejų tokiems procesams apibūdinti naudojama kompaktinė forma: a (b, c) d yra lygiavertis a + b, sukuriantis c + d. Šviesos dalelės dažnai trumpinamos: paprastai p reiškia protoną, n – neutroną, d – deuteroną, α – alfa arba helio-4, β – beta arba elektroną, γ – gama fotoną ir kt.
Branduolinių reakcijų tipai
Nors galimų tokių reakcijų skaičius yra didžiulis, jas galima rūšiuoti pagal tipą. Daugumą šių reakcijų lydi gama spinduliuotė. Štai keli pavyzdžiai:
- Elastingas sklaidymas. Atsiranda, kai energija neperduodama tarp tikslinio branduolio ir įeinančios dalelės.
- Neelastinga sklaida. Atsiranda, kai perduodama energija. Kinetinių energijų skirtumas išlieka sužadintame nuklide.
- Užfiksuokite reakcijas. tiek įkrautas, tiekneutralias daleles gali užfiksuoti branduoliai. Tai lydi ɣ spindulių emisija. Branduolinių reakcijų dalelės neutronų gaudymo reakcijoje vadinamos radioaktyviais nuklidais (sukeltas radioaktyvumas).
- Perdavimo reakcijos. Dalelės absorbcija, lydima vienos ar kelių dalelių emisijos, vadinama perdavimo reakcija.
- Skilimo reakcijos. Branduolio dalijimasis yra reakcija, kurios metu atomo branduolys suskaidomas į mažesnes dalis (lengvesnius branduolius). Dalijimosi procesas dažnai gamina laisvuosius neutronus ir fotonus (gama spindulių pavidalu) ir išskiria daug energijos.
- Susiliejimo reakcijos. Atsiranda, kai du ar daugiau atomų branduolių susiduria labai dideliu greičiu ir susijungia sudarydami naujo tipo atominį branduolį. Deuterio ir tričio sintezės branduolinės dalelės yra ypač įdomios, nes jos gali suteikti energijos ateityje.
- Skaldančios reakcijos. Atsiranda, kai į branduolį patenka dalelė, turinti pakankamai energijos ir impulso, kad išmuštų keletą mažų fragmentų arba suskaidytų į daug fragmentų.
- Persitvarkymo reakcijos. Tai yra dalelės absorbcija, kurią lydi vienos ar kelių dalelių išmetimas:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Jis (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Įvairios persitvarkymo reakcijos keičia neutronų ir protonų skaičių.
Branduolinis skilimas
Branduolinės reakcijos įvyksta, kai nestabilus atomas praranda energijąradiacija. Tai atsitiktinis procesas pavienių atomų lygyje, nes pagal kvantinę teoriją neįmanoma numatyti, kada atskiras atomas suirs.
Yra daugybė radioaktyvaus skilimo tipų:
- Alfa radioaktyvumas. Alfa dalelės susideda iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, sujungtų su dalele, identiška helio branduoliui. Dėl labai didelės masės ir krūvio jis stipriai jonizuoja medžiagą ir yra labai trumpas.
- Beta radioaktyvumas. Tai didelės energijos, didelio greičio pozitronai arba elektronai, skleidžiami iš tam tikrų tipų radioaktyvių branduolių, tokių kaip kalis-40. Beta dalelių prasiskverbimo diapazonas yra didesnis nei alfa dalelių, bet vis tiek daug mažesnis nei gama spindulių. Išmestos beta dalelės yra jonizuojančiosios spinduliuotės forma, dar vadinama branduolinės grandininės reakcijos beta spinduliais. Beta dalelių susidarymas vadinamas beta skilimu.
- Gama radioaktyvumas. Gama spinduliai yra labai aukšto dažnio elektromagnetinė spinduliuotė, todėl yra didelės energijos fotonai. Jie susidaro, kai branduoliai suyra, kai pereina iš didelės energijos būsenos į žemesnę būseną, žinomą kaip gama skilimas. Daugumą branduolinių reakcijų lydi gama spinduliuotė.
- Neutronų emisija. Neutronų emisija – tai branduolių, kuriuose yra neutronų pertekliaus (ypač skilimo produktų), radioaktyvaus skilimo tipas, kurio metu neutronas tiesiog išmetamas iš branduolio. Šis tipasradiacija atlieka pagrindinį vaidmenį kontroliuojant branduolinius reaktorius, nes šie neutronai vėluoja.
Energija
Branduolinės reakcijos energijos Q vertė yra reakcijos metu išsiskiriančios arba sugertos energijos kiekis. Tai vadinama energijos balansu arba reakcijos Q reikšme. Ši energija išreiškiama kaip skirtumas tarp produkto kinetinės energijos ir reaguojančios medžiagos kiekio.
Bendras reakcijos vaizdas: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kur x ir X yra reagentai, o y ir Y yra reakcijos produktas, kuris gali nustatyti branduolinės reakcijos energiją, Q yra energijos balansas.
Q reikšmė NR reiškia energiją, išsiskiriančią arba sugertą reakcijos metu. Jis taip pat vadinamas NR energijos balansu, kuris gali būti teigiamas arba neigiamas, priklausomai nuo prigimties.
Jei Q reikšmė teigiama, reakcija bus egzoterminė, dar vadinama egzoergine. Ji išleidžia energiją. Jei Q reikšmė yra neigiama, reakcija yra endoerginė arba endoterminė. Tokios reakcijos vyksta sugeriant energiją.
Branduolinėje fizikoje tokios reakcijos apibrėžiamos pagal Q reikšmę, kaip skirtumą tarp pradinių reagentų ir galutinių produktų masių sumos. Jis matuojamas energijos vienetais MeV. Apsvarstykite tipišką reakciją, kai sviedinys a ir taikinys A duoda du produktus B ir b.
Tai galima išreikšti taip: a + A → B + B, arba net kompaktiškesniu užrašu - A (a, b) B. Energijų rūšys branduolinėje reakcijoje ir šios reakcijos reikšmėnustatoma pagal formulę:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, kuri sutampa su galutinių produktų kinetinės energijos pertekliumi:
Q=T galutinis – T pradinis
Reakcijoms, kurių metu padidėja produktų kinetinė energija, Q yra teigiamas. Teigiamos Q reakcijos vadinamos egzoterminėmis (arba egzogeninėmis).
Yra grynasis energijos išsiskyrimas, nes galutinės būsenos kinetinė energija yra didesnė nei pradinėje būsenoje. Reakcijoms, kurių metu pastebimas produktų kinetinės energijos sumažėjimas, Q yra neigiamas.
Pusėjimo trukmė
Radioaktyviosios medžiagos pusinės eliminacijos laikas yra būdinga konstanta. Jis matuoja laiką, kurio reikia tam tikram medžiagos kiekiui per pusę sumažėti dėl skilimo, taigi ir spinduliuotės.
Archeologai ir geologai naudoja iki šiol buvusį organinių objektų pusėjimo trukmę procese, vadinamame anglies datavimu. Beta skilimo metu anglis 14 paverčiama azotu 14. Mirties metu organizmai nustoja gaminti anglį 14. Kadangi pusinės eliminacijos laikas yra pastovus, anglies 14 ir azoto 14 santykis yra mėginio amžiaus matas.
Medicinos srityje branduolinių reakcijų energijos š altiniai yra radioaktyvieji kob alto 60 izotopai, kurie buvo naudojami spindulinei terapijai, siekiant sumažinti navikus, kurie vėliau bus pašalinti chirurginiu būdu, arba naikinti vėžines ląsteles neveikiančiose.navikai. Skildamas į stabilų nikelį, jis skleidžia dvi palyginti dideles energijas – gama spindulius. Šiandien ją pakeičia elektronų pluošto radioterapijos sistemos.
Kai kurių mėginių izotopų pusinės eliminacijos laikas:
- deguonis 16 – begalinis;
- uranas 238 – 4 460 000 000 metų;
- uranas 235 – 713 000 000 metų;
- anglies 14 – 5730 metų;
- kob altas 60–5, 27 metai;
- sidabras 94 – 0,42 sek.
Radiokarboninės pažintys
Labai pastoviu greičiu nestabili anglis 14 palaipsniui skyla į anglį 12. Šių anglies izotopų santykis rodo kai kurių seniausių Žemės gyventojų amžių.
Radioanglies datavimas yra metodas, leidžiantis objektyviai įvertinti anglies pagrindu pagamintų medžiagų amžių. Amžius gali būti įvertintas išmatavus mėginyje esančios anglies 14 kiekį ir palyginus jį su tarptautinio standarto etalonu.
Dėl radioaktyviosios anglies datos poveikio šiuolaikiniam pasauliui jis tapo vienu reikšmingiausių XX amžiaus atradimų. Augalai ir gyvūnai visą gyvenimą pasisavina anglį 14 iš anglies dioksido. Kai jie miršta, jie nustoja keistis anglimi su biosfera, o jų anglies 14 kiekis pradeda mažėti tokiu greičiu, kurį nustato radioaktyvaus skilimo dėsnis.
Radioanglies datavimas iš esmės yra liekamojo radioaktyvumo matavimo metodas. Žinodami, kiek anglies 14 liko mėginyje, galite sužinotiorganizmo amžius, kai jis mirė. Pažymėtina, kad radioaktyviosios anglies datavimo rezultatai rodo, kada organizmas buvo gyvas.
Pagrindiniai radioaktyviosios anglies matavimo metodai
Yra trys pagrindiniai metodai, naudojami anglies 14 matavimui atliekant bet kurį mėginio ėmiklio proporcingą skaičiavimą, skysčio scintiliacijos skaitiklį ir greitintuvo masės spektrometriją.
Proporcinis dujų skaičiavimas yra įprastas radiometrinis datavimo metodas, kuriuo atsižvelgiama į tam tikro mėginio išskiriamas beta daleles. Beta dalelės yra radioaktyviosios anglies skilimo produktai. Taikant šį metodą, anglies mėginys pirmiausia paverčiamas anglies dioksido dujomis, o po to matuojamas proporcingais dujų skaitikliais.
Scintiliacinių skysčių skaičiavimas yra dar vienas radioaktyviosios anglies datavimo metodas, kuris buvo populiarus septintajame dešimtmetyje. Taikant šį metodą, mėginys yra skysto pavidalo ir pridedamas scintiliatorius. Šis scintiliatorius sukuria šviesos blyksnį, kai sąveikauja su beta dalele. Mėginio vamzdelis perduodamas tarp dviejų fotodaugintuvų ir, kai abu prietaisai užfiksuoja šviesos blyksnį, skaičiuojama.
Branduolinio mokslo privalumai
Branduolinių reakcijų dėsniai naudojami įvairiose mokslo ir technologijų srityse, tokiose kaip medicina, energetika, geologija, kosmosas ir aplinkos apsauga. Branduolinė medicina ir radiologija yra medicinos praktika, kuri apima spinduliuotės arba radioaktyvumo naudojimą diagnozei, gydymui ir profilaktikai.ligų. Nors radiologija buvo naudojama beveik šimtmetį, terminas „branduolinė medicina“pradėtas vartoti maždaug prieš 50 metų.
Branduolinė energija naudojama dešimtmečius ir yra viena iš sparčiausiai augančių energijos pasirinkimų šalyse, ieškančiose energetinio saugumo ir mažai teršiančių energijos taupymo sprendimų.
Archeologai naudoja daugybę branduolinių metodų objektų amžiui nustatyti. Tokie artefaktai, kaip Turino drobulė, Negyvosios jūros ritiniai ir Karolio Didžiojo karūna, gali būti datuojami ir autentiški naudojant branduolines technologijas.
Branduolinės technologijos naudojamos žemės ūkio bendruomenėse kovojant su ligomis. Radioaktyvieji š altiniai plačiai naudojami kasybos pramonėje. Pavyzdžiui, jie naudojami atliekant neardomuosius vamzdynų ir suvirinimo siūlių užsikimšimų bandymus, matuojant perforuotos medžiagos tankį.
Branduolinis mokslas atlieka vertingą vaidmenį padedant suprasti mūsų aplinkos istoriją.
