Kernereaktion (NR) - en proces, hvor kernen i et atom ændres ved at knuse eller kombineres med et andet atoms kerne. Det skal således føre til omdannelsen af mindst et nuklid til et andet. Nogle gange, hvis en kerne interagerer med en anden kerne eller partikel uden at ændre karakteren af nogen nuklid, omtales processen som nuklear spredning. Måske mest bemærkelsesværdig er fusionsreaktionerne af lette elementer, som påvirker stjernernes og solens energiproduktion. Naturlige reaktioner forekommer også i samspillet mellem kosmiske stråler og stof.
Naturlig atomreaktor
Den mest bemærkelsesværdige menneskekontrollerede reaktion er fissionsreaktionen, der opstår i atomreaktorer. Disse er enheder til at starte og kontrollere en nuklear kædereaktion. Men der er ikke kun kunstige reaktorer. Verdens første naturlige atomreaktor blev opdaget i 1972 ved Oklo i Gabon af den franske fysiker Francis Perrin.
Betingelserne, hvorunder den naturlige energi af en atomreaktion kunne genereres, blev forudsagt i 1956 af Paul Kazuo Kuroda. Det eneste kendte sted iverden består af 16 steder, hvor selvopretholdende reaktioner af denne type fandt sted. Dette menes at have været omkring 1,7 milliarder år siden og fortsatte i flere hundrede tusinde år, som det fremgår af xenon-isotoper (en fissionsproduktgas) og varierende forhold mellem U-235/U-238 (berigelse af naturligt uran).
Nuklear fission
Plottet med bindingsenergi antyder, at nuklider med en masse større end 130 a.m.u. skulle spontant adskilles fra hinanden for at danne lettere og mere stabile nuklider. Eksperimentelt har videnskabsmænd fundet ud af, at spontane fissionsreaktioner af elementerne i en nuklear reaktion kun forekommer for de tungeste nuklider med et massetal på 230 eller mere. Selvom dette gøres, er det meget langsomt. Halveringstiden for spontan fission af 238 U er for eksempel 10-16 år, eller omkring to millioner gange længere end vores planets alder! Fissionsreaktioner kan induceres ved at bestråle prøver af tunge nuklider med langsomme termiske neutroner. For eksempel, når 235 U absorberer en termisk neutron, bryder den i to partikler med ujævn masse og frigiver i gennemsnit 2,5 neutroner.
Absorptionen af 238 U-neutronen fremkalder vibrationer i kernen, som deformerer den, indtil den bryder i fragmenter, ligesom en væskedråbe kan splintres i mindre dråber. Mere end 370 datternuklider med atommasse mellem 72 og 161 f.m. dannes under fission af en termisk neutron 235U, inklusive to produkter,vist nedenfor.
Isotoper af en nuklear reaktion, såsom uran, gennemgår induceret fission. Men den eneste naturlige isotop 235 U er til stede i overflod på kun 0,72%. Den inducerede fission af denne isotop frigiver i gennemsnit 200 MeV pr. atom eller 80 millioner kilojoule pr. gram 235 U. Tiltrækningen af nuklear fission som energikilde kan forstås ved at sammenligne denne værdi med de 50 kJ/g, der frigives, når den er naturlig. gas er brændt.
Første atomreaktor
Den første kunstige atomreaktor blev bygget af Enrico Fermi og kolleger under University of Chicagos fodboldstadion og sat i drift den 2. december 1942. Denne reaktor, som producerede flere kilowatt strøm, bestod af en bunke af 385 tons grafitblokke stablet i lag omkring et kubisk gitter på 40 tons uran og uraniumoxid. Spontan fission af 238 U eller 235 U i denne reaktor producerede meget få neutroner. Men der var nok uran, så en af disse neutroner inducerede fission af 235 U-kernen og frigav derved et gennemsnit på 2,5 neutroner, hvilket katalyserede sp altningen af yderligere 235 U-kerner i en kædereaktion (kernereaktioner).
Mængden af fissilt materiale, der kræves for at opretholde en kædereaktion, kaldes kritisk masse. De grønne pile viser sp altningen af urankernen i to fissionsfragmenter, der udsender nye neutroner. Nogle af disse neutroner kan udløse nye fissionsreaktioner (sorte pile). Noget afneutroner kan gå tabt i andre processer (blå pile). Røde pile viser forsinkede neutroner, der kommer senere fra radioaktive fissionsfragmenter og kan udløse nye fissionsreaktioner.
Udnævnelse af nukleare reaktioner
Lad os se på atomernes grundlæggende egenskaber, herunder atomnummer og atommasse. Atomnummeret er antallet af protoner i kernen af et atom, og isotoper har samme atomnummer, men adskiller sig i antallet af neutroner. Hvis de oprindelige kerner er betegnet a og b, og produktkernerne er betegnet c og d, så kan reaktionen repræsenteres ved ligningen, du kan se nedenfor.
Hvilke nukleare reaktioner udligner for lette partikler i stedet for at bruge fulde ligninger? I mange situationer bruges den kompakte form til at beskrive sådanne processer: a (b, c) d svarer til, at a + b producerer c + d. Lyspartikler forkortes ofte: norm alt står p for proton, n for neutron, d for deuteron, α for alfa eller helium-4, β for beta eller elektron, γ for gammafoton osv.
Typer af nukleare reaktioner
Selvom antallet af mulige sådanne reaktioner er enormt, kan de sorteres efter type. De fleste af disse reaktioner er ledsaget af gammastråling. Her er nogle eksempler:
- Elastisk spredning. Opstår, når der ikke overføres energi mellem målkernen og den indkommende partikel.
- Uelastisk spredning. Opstår, når energi overføres. Forskellen i kinetiske energier bevares i den exciterede nuklid.
- Fang reaktioner. både opkrævet ogneutrale partikler kan fanges af kerner. Dette er ledsaget af emission af ɣ-stråler. Partiklerne af kernereaktioner i neutronfangereaktionen kaldes radioaktive nuklider (induceret radioaktivitet).
- Transmissionsreaktioner. Absorptionen af en partikel, ledsaget af emissionen af en eller flere partikler, kaldes en overførselsreaktion.
- Fission-reaktioner. Kernefission er en reaktion, hvor kernen i et atom sp altes i mindre stykker (lettere kerner). Fissionsprocessen producerer ofte frie neutroner og fotoner (i form af gammastråler) og frigiver store mængder energi.
- Fusionsreaktioner. Opstår, når to eller flere atomkerner kolliderer med meget høj hastighed og kombineres for at danne en ny type atomkerne. Deuterium-tritium fusion nukleare partikler er af særlig interesse på grund af deres potentiale til at levere energi i fremtiden.
- Opdelte reaktioner. Opstår, når en kerne bliver ramt af en partikel med tilstrækkelig energi og momentum til at slå nogle få små fragmenter ud eller bryde den i mange fragmenter.
- Omlægningsreaktioner. Dette er absorptionen af en partikel, ledsaget af emissionen af en eller flere partikler:
- 197Au (s, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Forskellige omlejringsreaktioner ændrer antallet af neutroner og antallet af protoner.
Nuklear henfald
Kernereaktioner opstår, når et ustabilt atom mister energi igennemstråling. Det er en tilfældig proces på niveau med enkelte atomer, da det ifølge kvanteteorien er umuligt at forudsige, hvornår et individuelt atom vil henfalde.
Der er mange typer radioaktivt henfald:
- Alfa-radioaktivitet. Alfa-partikler består af to protoner og to neutroner bundet sammen med en partikel, der er identisk med en heliumkerne. På grund af sin meget store masse og dens ladning ioniserer den materialet kraftigt og har en meget kort rækkevidde.
- Beta-radioaktivitet. Det er højenergi, højhastighedspositroner eller elektroner, der udsendes fra visse typer radioaktive kerner, såsom kalium-40. Beta-partikler har et større penetrationsområde end alfapartikler, men stadig meget mindre end gammastråler. Udstødte beta-partikler er en form for ioniserende stråling, også kendt som nuklear kædereaktion beta-stråler. Produktionen af beta-partikler kaldes beta-henfald.
- Gamma-radioaktivitet. Gammastråler er elektromagnetisk stråling med meget høj frekvens og er derfor højenergifotoner. De dannes, når kerner henfalder, når de går fra en højenergitilstand til en lavere tilstand kendt som gammahenfald. De fleste nukleare reaktioner er ledsaget af gammastråling.
- Neutronemission. Neutronemission er en type radioaktivt henfald af kerner, der indeholder overskydende neutroner (især fissionsprodukter), hvor neutronen simpelthen udstødes fra kernen. Denne typestråling spiller en nøglerolle i kontrollen af atomreaktorer, fordi disse neutroner er forsinkede.
Energy
Q-værdien af energien i en kernereaktion er mængden af energi, der frigives eller absorberes under reaktionen. Det kaldes energibalancen eller Q-værdien af reaktionen. Denne energi udtrykkes som forskellen mellem produktets kinetiske energi og mængden af reaktanten.
Generelt billede af reaktionen: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), hvor x og X er reaktanter, og y og Y er reaktionsprodukt, som kan bestemme energien af en kernereaktion, Q er energibalancen.
Q-værdi NR henviser til den energi, der frigives eller absorberes i en reaktion. Det kaldes også NR-energibalancen, som kan være positiv eller negativ afhængig af arten.
Hvis Q-værdien er positiv, vil reaktionen være eksoterm, også kaldet eksoergisk. Hun frigiver energi. Hvis Q-værdien er negativ, er reaktionen endoergisk eller endoterm. Sådanne reaktioner udføres ved at absorbere energi.
I kernefysik er sådanne reaktioner defineret ved Q-værdien, som forskellen mellem summen af masserne af de indledende reaktanter og slutprodukterne. Det måles i energienheder MeV. Overvej en typisk reaktion, hvor projektil a og mål A giver efter for to produkter B og b.
Dette kan udtrykkes sådan: a + A → B + B, eller endda i en mere kompakt notation - A (a, b) B. Typer af energier i en kernereaktion og betydningen af denne reaktionbestemt af formlen:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, der falder sammen med den overskydende kinetiske energi af slutprodukterne:
Q=T final - T initial
For reaktioner, hvor der er en stigning i produkternes kinetiske energi, er Q positiv. Positive Q-reaktioner kaldes eksoterme (eller eksogene).
Der er en nettofrigivelse af energi, da den kinetiske energi i den endelige tilstand er større end i den oprindelige tilstand. For reaktioner, hvor der observeres et fald i produkternes kinetiske energi, er Q negativ.
Halveringstiden
Halveringstiden for et radioaktivt stof er en karakteristisk konstant. Den måler den tid, det tager for en given mængde stof at blive reduceret til det halve gennem henfald og derfor stråling.
Arkæologer og geologer bruger den hidtidige halveringstid på organiske genstande i en proces kendt som kulstofdatering. Under beta-henfald omdannes kulstof 14 til nitrogen 14. På dødstidspunktet stopper organismer med at producere kulstof 14. Fordi halveringstiden er konstant, giver forholdet mellem kulstof 14 og nitrogen 14 et mål for prøvens alder.
På det medicinske område er energikilderne til nukleare reaktioner radioaktive isotoper af Cob alt 60, som er blevet brugt til strålebehandling for at skrumpe tumorer, der senere vil blive fjernet kirurgisk, eller til at dræbe kræftceller i ubrugeligetumorer. Når det henfalder til stabilt nikkel, udsender det to relativt høje energier - gammastråler. I dag bliver det erstattet af elektronstrålebehandlingssystemer.
Isotophalveringstid fra nogle prøver:
- oxygen 16 - uendelig;
- uranium 238 - 4.460.000.000 år;
- uranium 235 - 713.000.000 år;
- kulstof 14 - 5.730 år;
- cob alt 60 - 5, 27 år gammel;
- sølv 94 - 0,42 sekunder.
Radiocarbon-dating
Med en meget jævn hastighed henfalder ustabilt kulstof 14 gradvist til kulstof 12. Forholdet mellem disse kulstofisotoper afslører alderen på nogle af Jordens ældste indbyggere.
Radiocarbon-datering er en metode, der giver objektive skøn over alderen på kulstofbaserede materialer. Alder kan estimeres ved at måle mængden af kulstof 14 til stede i en prøve og sammenligne den med en international standardreference.
Indvirkningen af radiocarbondatering på den moderne verden har gjort det til en af de mest betydningsfulde opdagelser i det 20. århundrede. Planter og dyr optager kulstof 14 fra kuldioxid gennem hele deres liv. Når de dør, holder de op med at udveksle kulstof med biosfæren, og deres kulstof-14-indhold begynder at falde med en hastighed, der bestemmes af loven om radioaktivt henfald.
Radiocarbon-datering er i bund og grund en metode til måling af resterende radioaktivitet. Ved at vide, hvor meget kulstof 14 der er tilbage i prøven, kan du finde ud af detorganismens alder, da den døde. Det skal bemærkes, at resultaterne af radiocarbondatering viser, hvornår organismen var i live.
Grundlæggende metoder til måling af radiocarbon
Der er tre hovedmetoder, der bruges til at måle kulstof 14 i en given sampler-proportionalberegning, væskescintillationstæller og acceleratormassespektrometri.
Proportional gastælling er en almindelig radiometrisk dateringsteknik, der tager højde for de beta-partikler, der udsendes af en given prøve. Beta-partikler er henfaldsprodukter af radiocarbon. I denne metode omdannes kulstofprøven først til kuldioxidgas, før den måles i gasproportionalmålere.
Scintillationsvæsketælling er en anden metode til radiocarbondatering, som var populær i 1960'erne. I denne metode er prøven i flydende form, og en scintillator tilsættes. Denne scintillator skaber et lysglimt, når den interagerer med en beta-partikel. Prøverøret føres mellem to fotomultiplikatorer, og når begge enheder registrerer et lysglimt, foretages en optælling.
Fordelene ved Nuklear Science
Lovene for nukleare reaktioner bruges i en lang række grene af videnskab og teknologi, såsom medicin, energi, geologi, rumfart og miljøbeskyttelse. Nuklearmedicin og radiologi er medicinsk praksis, der involverer brug af stråling eller radioaktivitet til diagnose, behandling og forebyggelse.sygdomme. Mens radiologi har været i brug i næsten et århundrede, begyndte udtrykket "nuklearmedicin" at blive brugt for omkring 50 år siden.
Atomkraft har været i brug i årtier og er en af de hurtigst voksende energimuligheder for lande, der søger energisikkerhed og lavemissionsenergibesparende løsninger.
Arkæologer bruger en lang række nukleare metoder til at bestemme alderen på objekter. Artefakter såsom Ligklædet i Torino, Dødehavsrullerne og Karl den Stores Krone kan dateres og autentificeres ved hjælp af nukleare teknikker.
Nukleare teknikker bruges i landbrugssamfund til at bekæmpe sygdom. Radioaktive kilder er meget udbredt i mineindustrien. For eksempel bruges de til ikke-destruktiv test af blokeringer i rørledninger og svejsninger, til måling af tætheden af udstanset materiale.
Atomvidenskab spiller en værdifuld rolle i at hjælpe os med at forstå vores miljøs historie.
