Reacții nucleare: specii, legi

O reacție nucleară (NR) este un proces în care nucleul unui atom se schimbă prin strivire sau unire cu nucleul altui atom. Astfel, trebuie să conducă la conversia a cel puțin unui nuclid în altul. Uneori, dacă nucleul interacționează cu un alt nucleu sau o particulă fără a schimba natura oricărui nucleu, procesul se referă la împrăștierea nucleară. Poate că cele mai notabile sunt reacțiile fuziunea nucleară

Reactor nuclear nuclear

Reacția cea mai vizibilă, controlată de om, este reacția de fisiune care apare în reactoarele nucleare. Acestea sunt dispozitive pentru inițierea și monitorizarea unei reacții în lanț nucleare. Dar nu sunt doar reactoare artificiale. Primul reactor nuclear natural din lume a fost descoperit în 1972 în Oklo, în Gabon, de fizicianul francez Francis Perrin.

Condițiile în care ar putea fi produse reactii nucleare naturale de energie, au fost prezis în 1956 de către Paul Kazuo Kuroda. Singurul loc cunoscut în lume este format din 16 zone, în care au existat reacții autosusțină acestui tip. Se crede că acest lucru a fost în urmă cu aproximativ 1,7 miliarde de ani și a continuat timp de mai multe sute de mii de ani, a fost confirmat faptul că prezența izotopilor xenon (produs de fisiune gazos) și un raport diferit de U-235 / U-238 (de îmbogățire a uraniului natural).

Dezintegrarea nucleară

Graficul energiei de legare presupune că nuclidele cu o masă mai mare de 130 amu. ar trebui să se separeze spontan unul de altul pentru a forma nuclee mai ușoare și mai stabile. În mod experimental, oamenii de știință au stabilit că reacțiile de fisiune spontană ale elementelor de reacție nucleară apar doar pentru cei mai grei nuclei cu un număr de masă de 230 sau mai mult. Chiar dacă acest lucru este făcut, este foarte lent. Timpul de înjumătățire pentru fisiunea spontană de 238 U, de exemplu, este de 10-16 ani, sau de aproximativ două milioane de ori mai lung decât vârsta planetei noastre! Prin iradierea probelor nucleare grele cu neutroni termici lent, reacțiile de fisiune pot fi induse. De exemplu, atunci când 235 U absoarbe un neutron termic, se sparge în două particule cu o masă neuniformă și eliberează o medie de 2,5 neutroni.

238 U de absorbție a neutronilor induce vibrații în nucleu care se deformeze atâta timp cât nu se va rupe în fragmente ca picăturii de lichid poate zbura în picături mai mici. Mai mult de 370 nuclei fiu cu masă atomică între 72 și 161 amu. sunt generate prin fisiune neutronică termică de 235 U, incluzând cele două produse prezentate mai jos.

Izotopi reacția nucleară, cum ar fi uraniul, sunt supuse fisiunii induse. Dar singurul izotop natural U 235 este prezent doar 0,72% din abundență. Fisiunea indusă a izotopului eliberează o medie de 200 MeV per atom sau millionov 80 KJ pe gram de 235 U. Atracția fisiune nucleară ca sursă de energie poate fi înțeleasă prin compararea acestei valori cu 50 kJ / g, eliberată atunci când gazul natural este ars.

Primul reactor nuclear

Primul reactor nuclear artificial a fost construit de Enrico Fermi și angajații sub stadion de fotbal de la Universitatea din Chicago, a intrat în funcțiune 02 decembrie 1942. Acest reactor, care a produs câteva kilowați de putere, compus dintr-o grămadă de blocuri de grafit cu o greutate de 385 de tone, stratificat în jurul zăbrele cub de 40 de tone de uraniu și de oxid de uraniu. fisiune spontană sau 238 U 235 U în reactor a cauzat o cantitate foarte mică de neutroni. Dar suficient de mult uraniu a fost suficient, deci una dintre aceste neutroni a indus kernel diviziune 235 U, eliberând astfel o medie de 2,5 neutroni care au catalizat fisiunea unor nuclee suplimentare de 235 U în reacția în lanț (reacții nucleare).

Se numește cantitatea de material fisionabil necesar pentru a menține o reacție în lanț masa critică. Săgețile verzi indică divizarea nucleului de uraniu în două fragmente de fisiune care emit neutroni noi. Unele dintre aceste neutroni pot provoca noi reacții de fisiune (săgeți negre). Unele neutroni pot fi pierdute în alte procese (săgeți albastre). Săgețile roșii indică neutronii întârziate, care vin mai târziu din fragmentele de fisiune radioactive și pot provoca noi reacții de fisiune.

Desemnarea reacțiilor nucleare

Să luăm în considerare proprietățile de bază ale atomilor, inclusiv numărul atomic și masa atomică. Numărul atomic este numărul de protoni din nucleul atomului, iar izotopii au același număr atomic, dar diferă în numărul de neutroni. Dacă nucleele inițiale sunt notate cu și și b, iar miezurile produsului sunt notate cu și d, atunci reacția poate fi reprezentată de o ecuație pe care o puteți vedea mai jos.

Ce reacții nucleare, în loc să utilizeze ecuații complete, sunt reduse pentru particulele de lumină? În multe situații, pentru a descrie astfel de procese, se utilizează o formă compactă: a (b, c) d este echivalent cu a + b, de generare c + d. Partile de lumina sunt adesea reduse: de obicei p înseamnă un proton, n - neutroni, d - deuteron, alfa- - alfa-particulă sau heliu-4, beta- - beta-particule sau electroni, gamma- - gamma-foton și așa mai departe.

Tipuri de reacții nucleare

Deși numărul de posibile astfel de reacții este enorm, ele pot fi sortate după tip. Majoritatea acestor reacții sunt însoțite de radiații gamma. Iată câteva exemple:

1. Distrugerea elastică. Apare atunci când energia dintre nucleul țintă și particula incidentă nu este transmisă.
2. Distrugerea inelastică. Apare când energia este transmisă. Diferența în energiile cinetice este păstrată în nucleul excitat.
3. Reaction capture. Ambele particule încărcate și neutre pot fi captate de nuclee. Aceasta este însoțită de emisia de ɣ-rays. Particulele de reacții nucleare în timpul capturilor de neutroni se numesc nuclide radioactive (radioactivitate indusă).
4. Reacțiile de transmisie. Absorbția unei particule, însoțită de emisia de una sau mai multe particule, se numește reacția de transfer.
5. Reacțiile de fisiune. Fisiunea nucleară este o reacție în care nucleul unui atom este împărțit în părți mai mici (nuclee mai ușoare). Procesul de fisiune duce deseori la formarea de neutroni și fotoni liberi (sub formă de raze gamma) și eliberează o cantitate mare de energie.
6. Reacțiile fuziunii. Apar când două sau mai multe nuclee atomice se ciocnesc cu o rată foarte mare și se combină pentru a forma un nou tip de nucleu atomic. Particulele reacțiilor de fuziune nucleară de deuteriu și tritiu sunt deosebit de interesante din cauza potențialului lor de a furniza energie în viitor.
7. Reacțiile de separare. Se întâmplă când miezul este lovit de o particulă cu o energie și un impuls suficient pentru a scoate câteva fragmente mici sau pentru a le rupe în mai multe fragmente.
8. Reacționează reacțiile. Aceasta este absorbția unei particule, însoțită de emisia de una sau mai multe particule:

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

Reacțiile de rearanjare diferite schimbă numărul de neutroni și numărul de protoni.

Degradarea nucleară

Reacțiile nucleare apar atunci când un atom instabil își pierde energia din cauza radiațiilor. Este un proces aleatoriu la nivelul atomilor unici, deoarece, potrivit teoriei cuantice, este imposibil să se prevadă când un singur atom se va deteriora.

Există multe tipuri de dezintegrare radioactivă:

1. Alfa radioactivitate. Particulele alfa constau din doi protoni și doi neutroni, asociate cu o particulă identică cu miezul de heliu. Datorită masei foarte mari și încărcăturii sale, ionizează puternic materialul și are o gamă foarte scurtă.
2. Beta radioactivitate. Acesta reprezintă pozitroni de mare viteză de mare viteză sau electroni emise de anumite tipuri de nuclee radioactive, cum ar fi potasiul-40. Beta particulele au o gamă mai mare de penetrare decât particulele alfa, dar încă mult mai mici decât razele gamma. Particulele beta eliminate sunt o formă de radiație ionizantă, cunoscută și sub numele de razele beta ale unei reacții nucleare în lanț. Producția de particule beta se numește decalaj beta.
3. Gama radioactivității. Razele gamma sunt radiații electromagnetice de frecvență foarte ridicată și, prin urmare, sunt fotoni de mare energie. Acestea se formează în timpul decăderii nucleilor atunci când acestea trec de la o stare de energie înaltă la o stare inferioară, cunoscută sub numele de dezintegrarea gama. Majoritatea reacțiilor nucleare sunt însoțite de radiații gamma.
4. Emisia de neutroni. Emisia de neutroni este un tip de dezintegrare radioactivă a nucleilor care conțin exces de neutroni (în special produse de fisiune) în care un neutron este pur și simplu eliminat din nucleu. Acest tip de radiație joacă un rol-cheie în gestionarea reactoarelor nucleare, deoarece aceste neutroni sunt întârziate.

Inginerie energetică

Valoarea Q a energiei reacției nucleare este cantitatea de energie eliberată sau absorbită în timpul reacției. Se numește echilibrul energetic sau valoarea Q a reacției. Această energie este exprimată ca diferența dintre energia cinetică a produsului și valoarea reactivului.

Forma generală a reacției este: x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i) x + X ⟶ Y + y + Qhellip-hellip- (i) x și X sunt reactivi și y și Y - produsul reacției, care poate determina energia reacției nucleare, Q este echilibrul energetic.

Valoarea Q a NR înseamnă energia eliberată sau absorbită în reacție. Se mai numește și bilanțul energetic al NR, care poate fi pozitiv sau negativ în funcție de natură.

Dacă valoarea Q este pozitivă, reacția va fi exotermă, de asemenea se numește exoergie. Eliberă energie. Dacă valoarea Q este negativă, reacția este endoergică sau endotermică. Astfel de reacții se realizează datorită absorbției de energie.

În fizica nucleară, reacțiile similare sunt determinate de valoarea Q, ca fiind diferența dintre suma masei reactivilor inițiali și a produselor finale. Se măsoară în unități de energie MeV. Luați în considerare o reacție tipică în care un proiectil o și scop A inferior la două produse B și b.

Acest lucru poate fi exprimat ca: a + A → B + B sau chiar într-o înregistrare mai compactă - A (a, b) B. Tipurile de energii în reacția nucleară și valoarea acestei reacții sunt determinate de formula:

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

care coincide cu excesul de energie cinetică a produselor finale:

Q = T final - inițial T

Pentru reacțiile în care se observă creșterea energiei cinetice a produselor, Q este pozitiv. Răspunsurile pozitive Q se numesc exoterme (sau exogene).

Există o eliberare de energie netă, deoarece energia cinetică a stării finale este mai mare decât în ​​starea inițială. Pentru reacțiile în care energia cinetică a produselor este redusă, Q este negativă.

timp de înjumătățire

Timpul de înjumătățire al substanței radioactive este o constantă caracteristică. Ea măsoară timpul necesar pentru ca o anumită cantitate de materie să fie redusă la jumătate din cauza căderii și, în consecință, a radiației.

Arheologii și geologii folosesc timpul de înjumătățire până în prezent pentru obiectele organice într-un proces cunoscut ca datarea carbonului. In timpul dezintegrării beta de carbon-14 este transformat în azot 14. În timpul organismelor încetează producerea de moarte carbon 14. Deoarece timpul de înjumătățire este constantă, raportul dintre carbon 14, azot 14 asigură o măsurare a vârstei eșantionului.

In domeniul medical sursele de energie nucleară reacție sunt izotopi radioactivi ai Cobalt 60, care este utilizat pentru radioterapie de reducere a tumorii, care va fi ulterior îndepărtat prin intervenție chirurgicală, sau pentru distrugerea celulelor canceroase in tumorile inoperabile. Când se rupe într-un nichel stabil, acesta emite două energii relativ mari - radiația gamma. Astăzi este înlocuit cu sisteme de radioterapie cu fascicul de electroni.

Timpul de înjumătățire al izotopilor din anumite probe:

• oxigen 16 - infinit;
• uraniu 238 - 4.460.000.000 ani;
• uraniu 235 - 713.000.000 ani;
• carbon 14 - 5 730 ani;
• cobalt 60 - 5,27 ani;
• argint 94 - 0,42 secunde.

Radiocarbon dating

La o rată foarte stabilă, carbonul instabil 14 se descompune treptat în carbon 12. Raportul acestor izotopi de carbon indică vârsta unora dintre cei mai vechi locuitori ai Pământului.

Date despre radiații carbonice reprezintă o metodă care oferă estimări obiective ale vârstei materialelor pe bază de carbon. Vârsta poate fi estimată prin măsurarea cantității de carbon 14 prezent în eșantion și prin compararea cu standardul internațional standard.

Influența metodei de datare a radiațiilor de carbon în lumea modernă a făcut-o una dintre cele mai importante descoperiri ale secolului XX. Plantele și animalele asimilează carbonul 14 din dioxidul de carbon de-a lungul vieții. Atunci când mor, ei opresc schimbul de carbon cu biosfera, iar conținutul de carbon din ele începe să scadă cu o rată determinată de legea decăderii radioactive.

Datele cu radiații de carbon sunt, în esență, o metodă destinată măsurării radioactivității reziduale. Cunoscând cât de mult carbon 14 este lăsat în eșantion, puteți afla vârsta organismului când a murit. Trebuie remarcat faptul că rezultatele datei radiocarbonului arată când corpul era în viață.

Metode de bază pentru măsurarea radiocarbonului

Există trei metode principale utilizate pentru a măsura conținutul de carbon 14 în orice prelevare de calcul dat proporțional, contor de scintilație lichidă și spectrometrie de masă accelerator.

Contorul proporțional de gaze este o tehnică convențională de măsurare radiometrică care ia în considerare particulele beta emise de această probă. Particulele beta sunt produsele degradării radiațiilor carbonice. În această metodă, proba de carbon este mai întâi transformată în dioxid de carbon gazos înainte de măsurare în contoarele proporționale cu gazul.

Numărătoarea cu scintilație a lichidelor este o altă metodă de datare cu radiații de carbon, care a fost populară în anii 1960. În această metodă, proba este în formă lichidă și se adaugă un scintilator. Acest scintillator creează un fulger de lumină când interacționează cu particula beta. Un tub de testare cu un eșantion este trecut între doi fotomultiplicatori și când ambele dispozitive detectează un fulger de lumină, se face un număr.

Avantajele științei nucleare

Legile reacțiilor nucleare sunt utilizate într-o gamă largă de ramuri ale științei și tehnologiei, cum ar fi medicina, energia, geologia, spațiul și protecția mediului. Medicina nucleară și radiologia sunt metode medicale care implică utilizarea radiațiilor sau radioactivității pentru diagnosticarea, tratarea și prevenirea bolilor. În timp ce radiologia a fost folosită timp de aproape un secol, termenul de "medicină nucleară" a început să fie folosit cu aproximativ 50 de ani în urmă.

Energia nucleară a fost utilizată de zeci de ani și este una dintre opțiunile de energie cu cea mai rapidă creștere a energiei pentru țările care caută soluții de securitate energetică și de economisire a energiei cu emisii scăzute.

Arheologii folosesc o gamă largă de tehnici nucleare pentru a determina vârsta obiectelor. Artefactele cum ar fi Torino tubaj, Sulurile de la Marea Moartă și coroana Carol pot fi datate, iar identitatea lor să fie verificată folosind tehnici nucleare.

Metodele nucleare sunt folosite în comunitățile agricole pentru combaterea bolilor. Sursele radioactive sunt utilizate pe scară largă în industria minieră. De exemplu, ele sunt utilizate în testarea nedistructivă a conectării conductelor și a sudurilor, în măsurarea densității materialului străpuns.

Știința nucleară joacă un rol important, ajutându-ne să înțelegem istoria mediului nostru.