Jadrová reakcia (NR) - proces, pri ktorom sa jadro atómu mení rozdrvením alebo spojením s jadrom iného atómu. Musí teda viesť k premene aspoň jedného nuklidu na iný. Niekedy, ak jadro interaguje s iným jadrom alebo časticou bez zmeny povahy akéhokoľvek nuklidu, tento proces sa nazýva jadrový rozptyl. Azda najpozoruhodnejšie sú fúzne reakcie svetelných prvkov, ktoré ovplyvňujú produkciu energie hviezd a slnka. Prirodzené reakcie sa vyskytujú aj pri interakcii kozmického žiarenia s hmotou.
Prírodný jadrový reaktor
Najpozoruhodnejšou ľudskou kontrolovanou reakciou je štiepna reakcia, ku ktorej dochádza v jadrových reaktoroch. Ide o zariadenia na spustenie a riadenie reťazovej jadrovej reakcie. Ale neexistujú len umelé reaktory. Prvý prírodný jadrový reaktor na svete objavil v roku 1972 v Oklo v Gabone francúzsky fyzik Francis Perrin.
Podmienky, za ktorých by mohla vzniknúť prirodzená energia jadrovej reakcie, predpovedal v roku 1956 Paul Kazuo Kuroda. Jediné známe miesto vsvet pozostáva zo 16 miest, v ktorých sa vyskytli samoudržiavacie reakcie tohto typu. Predpokladá sa, že to bolo asi pred 1,7 miliardami rokov a pokračovalo to niekoľko stoviek tisíc rokov, o čom svedčia izotopy xenónu (plyn štiepneho produktu) a rôzne pomery U-235/U-238 (prírodné obohatenie uránu).
Jadrové štiepenie
Graf väzbovej energie naznačuje, že nuklidy s hmotnosťou väčšou ako 130 am.u. by sa mali od seba spontánne oddeliť a vytvoriť ľahšie a stabilnejšie nuklidy. Experimentálne vedci zistili, že spontánne štiepne reakcie prvkov jadrovej reakcie sa vyskytujú len pri najťažších nuklidoch s hmotnostným číslom 230 a viac. Aj keď sa to robí, ide to veľmi pomaly. Napríklad polčas spontánneho štiepenia 238 U je 10-16 rokov, čiže asi dva milióny krát dlhší ako vek našej planéty! Štiepne reakcie možno vyvolať ožiarením vzoriek ťažkých nuklidov pomalými tepelnými neutrónmi. Napríklad, keď 235 U absorbuje tepelný neutrón, rozpadne sa na dve častice nerovnomernej hmotnosti a uvoľní priemerne 2,5 neutrónu.
Absorpcia 238 U neutrónu vyvoláva v jadre vibrácie, ktoré ho deformujú, až kým sa nerozbije na úlomky, rovnako ako sa kvapka kvapaliny môže roztrieštiť na menšie kvapôčky. Viac ako 370 dcérskych nuklidov s atómovými hmotnosťami medzi 72 a 161 n.m. vznikajú pri štiepení tepelným neutrónom 235U vrátane dvoch produktov,zobrazené nižšie.
Izotopy jadrovej reakcie, ako napríklad urán, podliehajú indukovanému štiepeniu. Ale jediný prírodný izotop 235 U je prítomný v hojnosti len 0,72 %. Indukované štiepenie tohto izotopu uvoľňuje v priemere 200 MeV na atóm alebo 80 miliónov kilojoulov na gram 235 U. Príťažlivosť jadrového štiepenia ako zdroja energie možno pochopiť porovnaním tejto hodnoty s 50 kJ/g uvoľnených pri prirodzenom plyn sa spaľuje.
Prvý jadrový reaktor
Prvý umelý jadrový reaktor postavil Enrico Fermi a jeho spolupracovníci pod futbalovým štadiónom University of Chicago a uviedli ho do prevádzky 2. decembra 1942. Tento reaktor, ktorý produkoval niekoľko kilowattov energie, pozostával z hromady 385 ton grafitových blokov naskladaných vo vrstvách okolo kubickej mriežky 40 ton uránu a oxidu uránu. Spontánne štiepenie 238 U alebo 235 U v tomto reaktore vyprodukovalo veľmi málo neutrónov. Ale uránu bolo dosť, takže jeden z týchto neutrónov vyvolal štiepenie jadra 235 U, čím sa uvoľnilo priemerne 2,5 neutrónu, čo katalyzovalo štiepenie ďalších jadier 235 U v reťazovej reakcii (jadrových reakciách).
Množstvo štiepneho materiálu potrebné na udržanie reťazovej reakcie sa nazýva kritické množstvo. Zelené šípky ukazujú rozdelenie jadra uránu na dva štiepne fragmenty emitujúce nové neutróny. Niektoré z týchto neutrónov môžu spustiť nové štiepne reakcie (čierne šípky). Niektorí zneutróny sa môžu stratiť v iných procesoch (modré šípky). Červené šípky ukazujú oneskorené neutróny, ktoré prichádzajú neskôr z rádioaktívnych štiepnych fragmentov a môžu spustiť nové štiepne reakcie.
Označenie jadrových reakcií
Pozrime sa na základné vlastnosti atómov vrátane atómového čísla a atómovej hmotnosti. Atómové číslo je počet protónov v jadre atómu a izotopy majú rovnaké atómové číslo, ale líšia sa počtom neutrónov. Ak sú počiatočné jadrá označené a a b a jadrá produktu sú označené c a d, potom reakciu možno znázorniť pomocou rovnice, ktorú môžete vidieť nižšie.
Ktoré jadrové reakcie rušia ľahké častice namiesto použitia úplných rovníc? V mnohých situáciách sa na opis takýchto procesov používa kompaktná forma: a (b, c) d je ekvivalentné k a + b produkujúce c + d. Častice svetla sú často skracované: zvyčajne p znamená protón, n neutrón, d deuterón, α alfa alebo hélium-4, β beta alebo elektrón, γ gama fotón atď.
Typy jadrových reakcií
Aj keď je počet možných takýchto reakcií obrovský, dajú sa zoradiť podľa typu. Väčšina týchto reakcií je sprevádzaná gama žiarením. Tu je niekoľko príkladov:
- Elastický rozptyl. Vyskytuje sa, keď sa medzi cieľovým jadrom a prichádzajúcou časticou neprenáša žiadna energia.
- Nepružný rozptyl. Vyskytuje sa pri prenose energie. Rozdiel v kinetických energiách je vo excitovanom nuklide zachovaný.
- Zachyťte reakcie. aj nabité aneutrálne častice môžu byť zachytené jadrami. Toto je sprevádzané emisiou ɣ-lúčov. Častice jadrových reakcií v reakcii zachytávania neutrónov sa nazývajú rádioaktívne nuklidy (indukovaná rádioaktivita).
- Reakcie prenosu. Absorpcia častice sprevádzaná emisiou jednej alebo viacerých častíc sa nazýva prenosová reakcia.
- Štepné reakcie. Jadrové štiepenie je reakcia, pri ktorej sa jadro atómu rozdelí na menšie časti (ľahšie jadrá). Proces štiepenia často produkuje voľné neutróny a fotóny (vo forme gama žiarenia) a uvoľňuje veľké množstvo energie.
- Fúzne reakcie. Vyskytujú sa, keď sa dve alebo viac atómových jadier zrazí veľmi vysokou rýchlosťou a spoja sa, aby vytvorili nový typ atómového jadra. Jadrové častice z fúzie deutéria a trícia sú mimoriadne zaujímavé, pretože majú potenciál poskytovať energiu v budúcnosti.
- Rozdeľujúce reakcie. Vyskytuje sa, keď jadro zasiahne častica s dostatočnou energiou a hybnosťou na to, aby vyrazila niekoľko malých úlomkov alebo ho rozbila na veľa úlomkov.
- Reakcie preusporiadania. Ide o absorpciu častice sprevádzanú emisiou jednej alebo viacerých častíc:
- 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
Rôzne preskupovacie reakcie menia počet neutrónov a počet protónov.
Jadrový rozpad
Jadrové reakcie sa vyskytujú, keď nestabilný atóm stráca energiužiarenia. Ide o náhodný proces na úrovni jednotlivých atómov, keďže podľa kvantovej teórie nie je možné predpovedať, kedy sa jednotlivý atóm rozpadne.
Existuje mnoho typov rádioaktívneho rozpadu:
- Alfa rádioaktivita. Častice alfa sa skladajú z dvoch protónov a dvoch neutrónov, ktoré sú navzájom spojené časticou identickou s jadrom hélia. Vďaka svojej veľmi veľkej hmotnosti a náboju silne ionizuje materiál a má veľmi krátky dosah.
- Beta rádioaktivita. Ide o vysokoenergetické, vysokorýchlostné pozitróny alebo elektróny, emitované z určitých typov rádioaktívnych jadier, ako je draslík-40. Častice beta majú väčší rozsah prieniku ako častice alfa, ale stále oveľa menší ako gama lúče. Vysunuté beta častice sú formou ionizujúceho žiarenia, známeho aj ako beta lúče jadrovej reťazovej reakcie. Produkcia beta častíc sa nazýva beta rozpad.
- Rádioaktivita gama. Gama lúče sú elektromagnetické žiarenie s veľmi vysokou frekvenciou, a preto sú to fotóny s vysokou energiou. Vznikajú, keď sa jadrá rozpadnú, keď prechádzajú z vysokoenergetického stavu do nižšieho stavu známeho ako gama rozpad. Väčšinu jadrových reakcií sprevádza gama žiarenie.
- Emisie neutrónov. Neutrónová emisia je typ rádioaktívneho rozpadu jadier obsahujúcich prebytočné neutróny (najmä štiepne produkty), pri ktorom je neutrón jednoducho vymrštený z jadra. Tento typžiarenie hrá kľúčovú úlohu pri riadení jadrových reaktorov, pretože tieto neutróny sú oneskorené.
Energia
Q-hodnota energie jadrovej reakcie je množstvo energie uvoľnenej alebo absorbovanej počas reakcie. Nazýva sa to energetická bilancia alebo Q-hodnota reakcie. Táto energia je vyjadrená ako rozdiel medzi kinetickou energiou produktu a množstvom reaktantu.
Všeobecný pohľad na reakciu: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kde x a X sú reaktanty a y a Y je reakčný produkt, ktorý môže určiť energiu jadrovej reakcie, Q je energetická bilancia.
Hodnota Q NR sa vzťahuje na energiu uvoľnenú alebo absorbovanú pri reakcii. Nazýva sa aj energetická bilancia NR, ktorá môže byť pozitívna alebo negatívna v závislosti od povahy.
Ak je Q-hodnota pozitívna, reakcia bude exotermická, nazývaná aj exoergická. Uvoľňuje energiu. Ak je hodnota Q negatívna, reakcia je endoergická alebo endotermická. Takéto reakcie sa uskutočňujú absorbovaním energie.
V jadrovej fyzike sú takéto reakcie definované hodnotou Q ako rozdiel medzi súčtom hmotností počiatočných reaktantov a konečných produktov. Meria sa v energetických jednotkách MeV. Zvážte typickú reakciu, pri ktorej sa projektil a a cieľ A rozdelia na dva produkty B a b.
To sa dá vyjadriť takto: a + A → B + B, alebo aj v kompaktnejšom zápise - A (a, b) B. Druhy energií v jadrovej reakcii a význam tejto reakcieurčené podľa vzorca:
Q=[m a + m A - (mb + m B)] c 2, ktorá sa zhoduje s nadmernou kinetickou energiou konečných produktov:
Q=T finále – T počiatočné
Pre reakcie, pri ktorých dochádza k zvýšeniu kinetickej energie produktov, je Q kladné. Pozitívne Q reakcie sa nazývajú exotermické (alebo exogénne).
Dochádza k čistému uvoľneniu energie, pretože kinetická energia v konečnom stave je väčšia ako v počiatočnom stave. Pre reakcie, pri ktorých sa pozoruje pokles kinetickej energie produktov, je Q záporné.
Polčas rozpadu
Počas rozpadu rádioaktívnej látky je charakteristická konštanta. Meria čas potrebný na to, aby sa dané množstvo hmoty zredukovalo na polovicu rozpadom, a tým aj vyžarovaním.
Archeológovia a geológovia používajú polčas rozpadu na datovanie organických objektov v procese známom ako uhlíkové datovanie. Počas beta rozpadu sa uhlík 14 premení na dusík 14. V čase smrti organizmy prestanú produkovať uhlík 14. Pretože polčas rozpadu je konštantný, pomer uhlíka 14 k dusíku 14 poskytuje mieru veku vzorky.
V oblasti medicíny sú energetickými zdrojmi jadrových reakcií rádioaktívne izotopy kob altu 60, ktorý sa používa na radiačnú terapiu na zmenšenie nádorov, ktoré sa neskôr chirurgicky odstránia, alebo na zabitie nefunkčných rakovinových bunieknádorov. Keď sa rozpadne na stabilný nikel, vyžaruje dve relatívne vysoké energie – gama lúče. Dnes ju nahrádzajú systémy rádioterapie elektrónovým lúčom.
Počas izotopu z niektorých vzoriek:
- kyslík 16 - nekonečný;
- urán 238 – 4 460 000 000 rokov;
- urán 235 – 713 000 000 rokov;
- uhlík 14 – 5 730 rokov;
- kob alt 60 - 5, 27 rokov;
- strieborná 94 – 0,42 sekundy.
Rádiokarbónové zoznamovanie
Nestabilný uhlík 14 sa veľmi stabilnou rýchlosťou postupne rozkladá na uhlík 12. Pomer týchto izotopov uhlíka prezrádza vek niektorých najstarších obyvateľov Zeme.
Rádiokarbónové datovanie je metóda, ktorá poskytuje objektívne odhady veku materiálov na báze uhlíka. Vek možno odhadnúť meraním množstva uhlíka 14 prítomného vo vzorke a jeho porovnaním s medzinárodnou štandardnou referenciou.
Vplyv rádiokarbónového datovania na moderný svet z neho urobil jeden z najvýznamnejších objavov 20. storočia. Rastliny a živočíchy počas svojho života asimilujú uhlík 14 z oxidu uhličitého. Keď zomrú, prestanú si vymieňať uhlík s biosférou a ich obsah uhlíka 14 začne klesať rýchlosťou určenou zákonom rádioaktívneho rozpadu.
Rádiokarbónové datovanie je v podstate metóda na meranie zvyškovej rádioaktivity. Keď viete, koľko uhlíka 14 zostalo vo vzorke, môžete to zistiťvek organizmu, kedy zomrel. Treba poznamenať, že výsledky rádiokarbónového datovania ukazujú, kedy bol organizmus nažive.
Základné metódy merania rádioaktívneho uhlíka
Existujú tri hlavné metódy používané na meranie uhlíka 14 v akomkoľvek danom proporcionálnom výpočte vzorkovača, kvapalinovom scintilátore a hmotnostnej spektrometrii s urýchľovačom.
Proporcionálne počítanie plynov je bežná rádiometrická datovacia technika, ktorá berie do úvahy beta častice emitované danou vzorkou. Beta častice sú produkty rozpadu rádioaktívneho uhlíka. Pri tejto metóde sa vzorka uhlíka najskôr prevedie na plynný oxid uhličitý a až potom sa meria v plynových proporcionálnych metroch.
Scintilačné počítanie tekutín je ďalšou metódou rádiokarbónového datovania, ktorá bola populárna v 60. rokoch. Pri tejto metóde je vzorka v kvapalnej forme a pridá sa scintilátor. Tento scintilátor vytvára záblesk svetla, keď interaguje s beta časticou. Skúmavka so vzorkou prechádza medzi dvoma fotonásobičmi a keď obe zariadenia zaregistrujú záblesk svetla, vykoná sa počítanie.
Výhody jadrovej vedy
Zákony jadrových reakcií sa využívajú v širokej škále oblastí vedy a techniky, ako je medicína, energetika, geológia, vesmír a ochrana životného prostredia. Nukleárna medicína a rádiológia sú lekárske postupy, ktoré zahŕňajú použitie žiarenia alebo rádioaktivity na diagnostiku, liečbu a prevenciu.choroby. Zatiaľ čo rádiológia sa používa takmer storočie, termín „nukleárna medicína“sa začal používať asi pred 50 rokmi.
Jadrová energia sa používa už desaťročia a je jednou z najrýchlejšie rastúcich energetických možností pre krajiny, ktoré hľadajú energetickú bezpečnosť a riešenia úspory energie s nízkymi emisiami.
Archeológovia používajú na určenie veku predmetov širokú škálu jadrových metód. Artefakty ako Turínske plátno, zvitky od Mŕtveho mora a koruna Karola Veľkého môžu byť datované a overené pomocou jadrových techník.
V poľnohospodárskych komunitách sa na boj proti chorobám používajú jadrové techniky. Rádioaktívne zdroje sú široko používané v ťažobnom priemysle. Používajú sa napríklad pri nedeštruktívnom testovaní upchatí potrubí a zvarov, pri meraní hustoty vyrazeného materiálu.
Jadrová veda zohráva cennú úlohu, pretože nám pomáha pochopiť históriu nášho životného prostredia.
