Ядрени реакции: видове, закони

Една ядрена реакция (NR) е процес, при който ядрото на един атом се променя чрез раздробяване или съединяване с ядрото на друг атом. По този начин тя трябва да доведе до преобразуването на поне един нуклид в друг. Понякога, ако ядрото взаимодейства с друго ядро ​​или частица, без да променя природата на който и да е нуклод, процесът се отнася до ядрено разсейване. Може би най-забележителните са реакциите ядрен синтез

Природен ядрен реактор

Най-забележимата реакция, контролирана от човека, е реакцията на делене, която се случва в ядрените реактори. Това са устройства за иницииране и наблюдение на ядрена верижна реакция. Но има не само изкуствени реактори. Първият естествен ядрен реактор в света беше открит през 1972 г. в Окло в Габон от френския физик Франсис Перин.

Условията, при които естествената енергия на ядрената реакция може да бъде генерирана, бяха прогнозирани през 1956 г. от Пол Казуо Курода. Единственото известно място в света се състои от 16 места, в които са настъпили самосъздаващи се реакции от този тип. Смята се, че това е било преди около 1,7 милиарда години и продължава в продължение на няколко стотици хиляди години, беше потвърдено, че присъствието на ксенонови изотопи (газообразни продукти на делене) и различно съотношение на U-235 / U-238 (естествено обогатяване на уран).

Ядрено делене

Графиката на свързващата енергия приема, че нуклидите с маса по-голяма от 130 amu. трябва да се отделят спонтанно един от друг, за да образуват по-леки и по-стабилни нуклиди. Експериментално учените са установили, че спонтанните реакции на делене на ядрени реакционни елементи се появяват само при най-тежките нуклиди с масов брой 230 или повече. Дори това да стане, това е много бавно. Полуживотът за спонтанно делене от 238 U, например, е 10-16 години, или около два милиона пъти по-дълъг от възрастта на нашата планета! Чрез облъчване на тежки нуклеидни проби с бавни топлинни неутрони могат да се индуцират реакции на делене. Например, когато 235 U абсорбират термичен неутрон, той се разпада на две частици с неравномерна маса и отделя средно 2,5 неутрона.

Абсорбцията на неутрона 238 U предизвиква колебания в ядрото, което го деформира, докато се разпадне на фрагменти, тъй като капката течност може да се разпръсне на по-малки капчици. Повече от 370 дъщерни нуклида с атомни маси между 72 и 161 amu. се генерират чрез термично неутронно делене от 235 U, включително двата продукта, показани по-долу.

Изотопите на ядрена реакция, като уран, претърпяват индуцирано делене. Но единственият естествен изотоп 235 U е налице в изобилие само 0.72%. Индуцираната делене на този изотоп освобождава средно 200 MeV на атом или millionov 80 килоджаули на грам от 235 U. Привличането на ядрено делене като източник на енергия може да бъде разбрано чрез сравняване на тази стойност с 50 кДж / г, в освобождава, когато природен газ се изгаря.

Първият ядрен реактор

Първият изкуствен ядрен реактор е построен от Енрико Ферми и служители под футболния стадион на Университета в Чикаго и е пуснат в експлоатация на 2 декември 1942 г. Този реактор, който произвежда няколко киловата енергия, се състоеше от купчина графитни блокове с тегло 385 тона, покрити с кубична решетка от 40 тона уран и уран-оксид. Спонтанното делене на 238 U или 235 U в този реактор предизвиква много малък брой неутрони. Но достатъчно уран е достатъчно, така че един от тези неутрони е предизвикал ядро разделение 235 U, като по този начин освобождават средно 2,5 неутрона, които катализират разцепването на допълнителни 235 U ядра в верижната реакция (ядрени реакции).

Обажда се количеството делящ се материал, необходимо за поддържане на верижна реакция критична маса. Зелените стрелки показват разделянето на урановото ядро ​​в два фрагмента на делене, излъчващи нови неутрони. Някои от тези неутрони могат да предизвикат нови реакции на делене (черни стрелки). Някои от неутроните могат да бъдат загубени в други процеси (сини стрелки). Червените стрелки показват забавени неутрони, които идват по-късно от радиоактивни фрагменти на делене и могат да причинят нови реакции на делене.

Определяне на ядрените реакции

Нека разгледаме основните свойства на атомите, включително атомното число и атомната маса. Атомното число е броят на протоните в ядрото на атома, а изотопите имат едно и също атомно число, но се различават по броя на неутроните. Ако първоначалните ядра са обозначени с и и б, и се обозначават ядките на продукта с и г, тогава реакцията може да бъде представена с уравнение, което можете да видите по-долу.

Какви ядрени реакции, вместо да се използват пълни уравнения, се намаляват за леките частици? В много случаи се използва компактна форма за описание на такива процеси: а (б, с) d е еквивалентно на a + b, генерирането c + d. Светлите частици често се намаляват: обикновено р означава протон, n - неутрони, г - deuteron, алфа- - алфа-частица или хелий-4, бета- - бета-частици или електрони, гама- - гама-фотон и т.н.

Видове ядрени реакции

Въпреки че броят на възможните такива реакции е огромен, те могат да бъдат сортирани по вид. Повечето от тези реакции се съпровождат от гама-лъчение. Ето няколко примера:

1. Еластично разсейване. Възниква, когато енергията между целевото ядро ​​и частицата, която се появи, не се предава.
2. Нееластично разсейване. Възниква, когато се предава енергия. Разликата в кинетичните енергии се запазва в възбудения нуклид.
3. Заснемане на реакции. И двата заредени и неутрални частици могат да бъдат заловени от ядра. Това е придружено от излъчването на ɣ-лъчи. Частиците на ядрени реакции по време на улавяне на неутрони се наричат ​​радиоактивни нуклиди (индуцирана радиоактивност).
4. Реакции на предаване. Абсорбцията на частица, придружена от излъчването на една или повече частици, се нарича реакция на прехвърляне.
5. Реакции на делене. Ядреният делене е реакция, при която ядрото на един атом е разделено на по-малки части (по-леки ядра). Процесът на делене често води до образуването на свободни неутрони и фотони (под формата на гама лъчи) и отделя голямо количество енергия.
6. Реакции на синтез. Възникват, когато две или повече атомни ядра се сблъскат с много висока скорост и се комбинират, за да образуват нов тип атомно ядро. Частиците на реакциите на ядрен синтез на деутерий и тритий са особено интересни заради потенциала им за осигуряване на енергия в бъдеще.
7. Реакции на разделяне. Появява се, когато ядрото е ударено от частица с достатъчно енергия и инерция, за да изхвърли няколко малки фрагмента или да я разбие в много фрагменти.
8. Регрупиране на реакциите. Това е абсорбцията на частица, придружена от емисията на една или повече частици:

• 197Au (p, d) 196mAu
• 4He (a, p) 7Li
• 27А1 (а, п) 30Р
• 54Fe (a, d) 58Co
• 54Fe (a, 2n) 56Ni
• 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Различните реакции на пренареждане променят броя на неутроните и броя на протоните.

Ядрено разпадане

Ядрените реакции се появяват, когато нестабилен атом губи енергия поради радиация. Това е произволен процес на нивото на отделни атоми, защото според квантовата теория е невъзможно да се предскаже кога един атом ще се разпадне.

Има много видове радиоактивно разпадане:

1. Алфа радиоактивност. Алфа-частиците се състоят от два протона и два неутрона, свързани с частица, идентична на хелиевото ядро. Поради голямата маса и зареждането й тя силно йонизира материала и има много кратък диапазон.
2. Бета радиоактивност. Той представлява високоенергийни високоскоростни позитрони или електрони, излъчвани от определени видове радиоактивни ядра, като калий 40. Бета-частиците имат по-голяма степен на проникване от алфа-частиците, но все още много по-малко от гама-лъчите. Изхвърлените бета частици са форма на йонизиращо лъчение, известни също като бета лъчи на верижна ядрена реакция. Производството на бета-частици се нарича бета разпадане.
3. Гама радиоактивност. Гама-лъчите са електромагнитно излъчване с много висока честота и следователно са високоенергийни фотони. Те се формират по време на разпадането на ядрата, когато преминават от високо енергийно състояние в по-ниско състояние, известно като гама разпад. Повечето ядрени реакции се съпровождат от гама-лъчение.
4. Емисия на неутрони. Неутронното излъчване е вид радиоактивно разпадане на ядра, съдържащо излишък от неутрони (особено продукти на делене), в които неутронът просто се изхвърля от ядрото. Този вид радиация играе ключова роля в управлението на ядрените реактори, тъй като тези неутрони се забавят.

Енергетика

Q-стойността на енергията на ядрената реакция е количеството енергия, освободена или абсорбирана по време на реакцията. Тя се нарича енергиен баланс или Q-стойност на реакцията. Тази енергия се изразява като разлика между кинетичната енергия на продукта и стойността на реагента.

Общата форма на реакцията е: x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i) x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i) х и X са реагенти и ш и Y - продуктът на реакцията, който може да определи енергията на ядрената реакция, Q е енергийният баланс.

Q-стойността на NR означава енергията, освободена или абсорбирана в реакцията. Той се нарича енергиен баланс на NR, който може да бъде положителен или отрицателен в зависимост от природата.

Ако Q-стойността е положителна, реакцията ще бъде екзотермична, също така се нарича екзогерична. То освобождава енергия. Ако Q-стойността е отрицателна, реакцията е ендоргична или ендотермична. Такива реакции се извършват поради енергийна абсорбция.

В ядрената физика подобни реакции се определят от Q-стойността като разлика между сумата от масите на началните реагенти и крайните продукти. Измерва се в MeV енергийни единици. Помислете за типична реакция, в която се намира снаряд а и цел А нисък от два продукта B и б.

Това може да бъде изразено като: a + A → B + B или дори по-компактен запис - A (a, b) B. Типовете енергии в ядрената реакция и стойността на тази реакция се определят от формулата:

Q = [m a + m A - (mb + m B)] c 2,

който съвпада с излишната кинетична енергия на крайните продукти:

Q = T final - T начален

За реакции, при които се наблюдава повишаване 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 кинетичната енергия на продуктите е намалена, Q е отрицателен.

полуживот

Полуживотът на радиоактивното вещество е характерна константа. Той измерва времето, необходимо за намаляването на определено количество вещество наполовина, поради разлагането и впоследствие излъчването.

Археолозите и геолозите използват полуживот до момента за органични обекти в процес, известен като въглероден датиране. По време на бета разпад на въглерод-14 се превръща в азот 14. През организми прекратява производство въглероден смърт 14. Тъй като полуживот е константа, съотношението на въглерод-14, азот 14 осигурява измерване на възраст на пробата.

В областта на медицината ядрената реакция енергийни източници са радиоактивни изотопи на кобалт 60, който се използва за лъчева терапия на намаляване на тумора, които впоследствие ще бъдат отстранени чрез хирургия или за унищожаване на ракови клетки в неизползваеми тумори. Когато се разпадне в стабилен никел, той излъчва две относително високи енергии - гама-лъчение. Днес тя се замества от системи за лъчева терапия с електронен лъч.

Времето на полуразпад на изотопи от някои проби:

• кислород 16 - безкраен;
• уран 238 - 4,460,000,000 години;
• уран 235 - 713 000 000 години;
• въглерод 14 - 5 730 години;
• кобалт 60 - 5,27 години;
• сребро 94 - 0.42 секунди.

Радиовъглеродно запознанства

При много стабилна скорост, нестабилният въглерод 14 постепенно се разлага на въглерод 12. Съотношението на тези въглеродни изотопи показва възрастта на някои от най-възрастните жители на Земята.

Радиокарбонирането е метод, който осигурява обективни оценки за възрастта на материалите на базата на въглерод. Възрастта може да се оцени чрез измерване на количеството въглерод 14, присъстващ в пробата, и сравняването й с международния стандартен стандарт.

Влиянието на метода на радиовъглеродното датиране в съвременния свят го прави едно от най-значимите открития на 20-ти век. Растенията и животните усвояват въглерод 14 от въглероден диоксид през целия живот. Когато умрат, спират да обменят въглерод с биосферата и съдържанието на въглерод в тях започва да пада с темп, определен от закона за радиоактивно разпадане.

Радиокарбонирането е по същество метод, предназначен да измерва остатъчната радиоактивност. Знаейки колко въглерод 14 е оставен в пробата, можете да разберете възрастта на организма, когато умря. Трябва да се отбележи, че резултатите от радиовъглеродното датиране показват, когато тялото е жива.

Основни методи за измерване на радиовъглерод

Съществуват три основни метода за измерване на въглеродното съдържание 14 във всяко пропорционално изчисление на пробовземателя, течния сцинтилационен брояч и масовата спектрометрия на ускорителя.

Пропорционалният брой газове е конвенционална техника за радиометрично отчитане, която отчита бета-частиците, излъчвани от тази проба. Бета-частиците са продукти на разпадането на радиовъглерод. При този метод въглеродната проба първо се преобразува в газообразен въглероден диоксид преди измерването в газопропорционални броячи.

Сцинтилационното отчитане на течностите 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-частицата. Една епруветка с проба преминава между два фотоумножителя, а когато двете устройства открият светкавица, се прави преброяване.

Предимства на ядрената наука

Законите на ядрените реакции се използват в широк спектър от научни и технологични области като медицината, енергетиката, геологията, космическото пространство и опазването на околната среда. Ядрената медицина и радиологията са медицински методи, които включват използването на радиация или радиоактивност за диагностициране, лечение и профилактика на заболявания. Докато радиологията се използва за почти век, терминът "ядрена медицина" започна да се използва преди около 50 години.

Ядрената енергия се използва от десетилетия и е една от най-бързо развиващите се енергийни възможности за страните, които търсят енергийна сигурност и енергоспестяващи решения с ниски емисии.

Археолозите използват широк спектър от ядрени техники, за да определят възрастта на обектите. Артефакти като Ториновата платформа, свитъците от Мъртво море и короната на Карл Велики могат да бъдат датирани и автентичността им е проверена с ядрени техники.

Ядрените методи се използват в селскостопанските общности за борба с болестите. Радиоактивните източници се използват широко в минната промишленост. Например, те се използват при неразрушителни тестове за запушване на тръбопроводи и заварки при измерване на плътността на пробития материал.

Ядрената наука играе важна роля, която ни помага да разберем историята на нашата околна среда.