Reacție nucleară (NR) - un proces în care nucleul unui atom se modifică prin zdrobire sau combinare cu nucleul altui atom. Astfel, trebuie să conducă la transformarea a cel puțin unui nuclid în altul. Uneori, dacă un nucleu interacționează cu un alt nucleu sau particulă fără a schimba natura vreunui nuclid, procesul este denumit împrăștiere nucleară. Poate că cele mai notabile sunt reacțiile de fuziune ale elementelor luminoase, care afectează producția de energie a stelelor și a soarelui. Reacțiile naturale apar și în interacțiunea razelor cosmice cu materia.
Reactor nuclear natural
Cea mai notabilă reacție controlată de om este reacția de fisiune care are loc în reactoarele nucleare. Acestea sunt dispozitive pentru inițierea și controlul unei reacții nucleare în lanț. Dar nu există doar reactoare artificiale. Primul reactor nuclear natural din lume a fost descoperit în 1972 la Oklo din Gabon de către fizicianul francez Francis Perrin.
Condițiile în care ar putea fi generată energia naturală a unei reacții nucleare au fost prezise în 1956 de Paul Kazuo Kuroda. Singurul loc cunoscut dinlumea este formată din 16 locuri în care au avut loc reacții de auto-susținere de acest tip. Se crede că acest lucru a fost cu aproximativ 1,7 miliarde de ani în urmă și a continuat timp de câteva sute de mii de ani, așa cum demonstrează izotopii xenonului (un gaz produs de fisiune) și rapoartele variabile de U-235/U-238 (îmbogățirea uraniului natural).
Fisiune nucleară
Graficul energiei de legare sugerează că nuclizii cu o masă mai mare de 130 a.m.u. ar trebui să se separe în mod spontan unul de celăl alt pentru a forma nuclizi mai ușori și mai stabili. Experimental, oamenii de știință au descoperit că reacțiile spontane de fisiune ale elementelor unei reacții nucleare apar numai pentru cei mai grei nuclizi cu un număr de masă de 230 sau mai mult. Chiar dacă se face acest lucru, este foarte lent. Timpul de înjumătățire pentru fisiunea spontană a 238 U, de exemplu, este de 10-16 ani, sau de aproximativ două milioane de ori mai mare decât vârsta planetei noastre! Reacțiile de fisiune pot fi induse prin iradierea probelor de nuclizi grei cu neutroni termici lenți. De exemplu, când 235 U absoarbe un neutron termic, acesta se rupe în două particule de masă neuniformă și eliberează în medie 2,5 neutroni.
Absorbția neutronului de 238 U induce vibrații în nucleu, care îl deformează până se sparge în fragmente, la fel cum o picătură de lichid se poate sparge în picături mai mici. Peste 370 de nuclizi fiice cu mase atomice cuprinse între 72 și 161 a.m.u. sunt formate în timpul fisiunii de un neutron termic 235U, inclusiv doi produse,afișat mai jos.
Izotopii unei reacții nucleare, cum ar fi uraniul, suferă fisiune indusă. Dar singurul izotop natural 235 U este prezent în abundență la doar 0,72%. Fisiunea indusă a acestui izotop eliberează în medie 200 MeV per atom, sau 80 de milioane de kilojouli pe gram de 235 U. Atracția fisiunii nucleare ca sursă de energie poate fi înțeleasă comparând această valoare cu cei 50 kJ/g eliberați atunci când sunt naturale. gazul este ars.
Primul reactor nuclear
Primul reactor nuclear artificial a fost construit de Enrico Fermi și colegii de muncă sub stadionul de fotbal al Universității din Chicago și pus în funcțiune pe 2 decembrie 1942. Acest reactor, care producea câțiva kilowați de putere, a constat dintr-o grămadă de 385 de tone de blocuri de grafit stivuite în straturi în jurul unei rețele cubice de 40 de tone de uraniu și oxid de uraniu. Fisiunea spontană a 238 U sau 235 U în acest reactor a produs foarte puțini neutroni. Dar era suficient uraniu, așa că unul dintre acești neutroni a indus fisiunea nucleului de 235 U, eliberând astfel o medie de 2,5 neutroni, care a catalizat fisiunea a 235 de nuclee U suplimentare într-o reacție în lanț (reacții nucleare).
Cantitatea de material fisionabil necesară pentru a susține o reacție în lanț se numește masă critică. Săgețile verzi arată divizarea nucleului de uraniu în două fragmente de fisiune care emit noi neutroni. Unii dintre acești neutroni pot declanșa noi reacții de fisiune (săgeți negre). Uneleneutronii se pot pierde în alte procese (săgeți albastre). Săgețile roșii arată neutroni întârziați care ajung mai târziu din fragmente de fisiune radioactivă și pot declanșa noi reacții de fisiune.
Desemnarea reacțiilor nucleare
Să ne uităm la proprietățile de bază ale atomilor, inclusiv numărul atomic și masa atomică. Numărul atomic este numărul de protoni din nucleul unui atom, iar izotopii au același număr atomic, dar diferă prin numărul de neutroni. Dacă nucleele inițiale sunt notate cu a și b, iar nucleele de produs sunt notate cu c și d, atunci reacția poate fi reprezentată prin ecuația pe care o puteți vedea mai jos.
Care reacții nucleare se anulează pentru particulele ușoare în loc să utilizeze ecuații complete? În multe situații, forma compactă este folosită pentru a descrie astfel de procese: a (b, c) d este echivalent cu a + b producând c + d. Particulele de lumină sunt adesea abreviate: de obicei p reprezintă proton, n pentru neutron, d pentru deutron, α pentru alfa sau heliu-4, β pentru beta sau electron, γ pentru foton gamma etc.
Tipuri de reacții nucleare
Deși numărul posibilelor astfel de reacții este mare, ele pot fi sortate după tip. Majoritatea acestor reacții sunt însoțite de radiații gamma. Iată câteva exemple:
- Răspândire elastică. Apare atunci când nu se transferă energie între nucleul țintă și particula care intră.
- Răspândire inelastică. Apare atunci când energia este transferată. Diferența de energii cinetice este conservată în nuclidul excitat.
- Captați reacții. atat incarcati cat siparticulele neutre pot fi captate de nuclee. Aceasta este însoțită de emisia de raze ɣ. Particulele reacțiilor nucleare din reacția de captare a neutronilor se numesc nuclizi radioactivi (radioactivitate indusă).
- Reacții de transmisie. Absorbția unei particule, însoțită de emisia uneia sau mai multor particule, se numește reacție de transfer.
- Reacții de fisiune. Fisiunea nucleară este o reacție în care nucleul unui atom este împărțit în bucăți mai mici (nuclee mai ușoare). Procesul de fisiune produce adesea neutroni și fotoni liberi (sub formă de raze gamma) și eliberează cantități mari de energie.
- Reacții de fuziune. Apar atunci când două sau mai multe nuclee atomice se ciocnesc cu o viteză foarte mare și se combină pentru a forma un nou tip de nucleu atomic. Particulele nucleare de fuziune deuteriu-tritiu prezintă un interes deosebit datorită potențialului lor de a furniza energie în viitor.
- Reacții de divizare. Apare atunci când un nucleu este lovit de o particulă cu suficientă energie și impuls pentru a elimina câteva fragmente mici sau a-l rupe în multe fragmente.
- Reacții de rearanjare. Aceasta este absorbția unei particule, însoțită de emisia uneia sau mai multor particule:
- 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
Diferitele reacții de rearanjare modifică numărul de neutroni și numărul de protoni.
Dezintegrare nucleară
Reacțiile nucleare apar atunci când un atom instabil pierde energieradiatii. Este un proces aleatoriu la nivelul atomilor unici, deoarece conform teoriei cuantice este imposibil de prezis când un atom individual se va descompune.
Există multe tipuri de dezintegrare radioactivă:
- Radioactivitate alfa. Particulele alfa sunt formate din doi protoni și doi neutroni legați împreună cu o particulă identică cu un nucleu de heliu. Datorită masei sale foarte mari și încărcăturii sale, ionizează puternic materialul și are o rază de acțiune foarte scurtă.
- Radioactivitate beta. Este vorba de pozitroni sau electroni de mare energie, de mare viteză, emiși de anumite tipuri de nuclee radioactive, cum ar fi potasiul-40. Particulele beta au o gamă de penetrare mai mare decât particulele alfa, dar totuși mult mai puțin decât razele gamma. Particulele beta ejectate sunt o formă de radiație ionizantă, cunoscută și sub numele de raze beta de reacție nucleară în lanț. Producția de particule beta se numește degradare beta.
- Radioactivitate gamma. Razele gamma sunt radiații electromagnetice de foarte în altă frecvență și, prin urmare, sunt fotoni de în altă energie. Ele se formează atunci când nucleii se descompun pe măsură ce trec de la o stare de energie în altă la o stare inferioară cunoscută sub numele de degradare gamma. Majoritatea reacțiilor nucleare sunt însoțite de radiații gamma.
- Emisia de neutroni. Emisia de neutroni este un tip de dezintegrare radioactivă a nucleelor care conțin neutroni în exces (în special produse de fisiune), în care neutronul este pur și simplu ejectat din nucleu. Acest tipradiațiile joacă un rol cheie în controlul reactoarelor nucleare, deoarece acești neutroni sunt întârziați.
Energie
Valoarea Q a energiei unei reacții nucleare este cantitatea de energie eliberată sau absorbită în timpul reacției. Se numește balanța energetică sau valoarea Q a reacției. Această energie este exprimată ca diferența dintre energia cinetică a produsului și cantitatea de reactant.
Vedere generală a reacției: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), unde x și X sunt reactanți, iar y și Y este produsul de reacție, care poate determina energia unei reacții nucleare, Q este balanța energetică.
Valoarea Q NR se referă la energia eliberată sau absorbită într-o reacție. Se mai numește și bilanțul energetic NR, care poate fi pozitiv sau negativ în funcție de natură.
Dacă valoarea Q este pozitivă, reacția va fi exotermă, numită și exoergică. Ea eliberează energie. Dacă valoarea Q este negativă, reacția este endoergică sau endotermă. Astfel de reacții sunt efectuate prin absorbția de energie.
În fizica nucleară, astfel de reacții sunt definite de valoarea Q, ca diferența dintre suma maselor reactanților inițiali și a produselor finali. Se măsoară în unități de energie MeV. Luați în considerare o reacție tipică în care proiectilul a și ținta A cedează la două produse B și b.
Acest lucru poate fi exprimat astfel: a + A → B + B, sau chiar într-o notație mai compactă - A (a, b) B. Tipuri de energii într-o reacție nucleară și semnificația acestei reacțiideterminat de formula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, care coincide cu excesul de energie cinetică a produselor finite:
Q=T final - T initial
Pentru reacțiile în care există o creștere a energiei cinetice a produselor, Q este pozitiv. Reacțiile Q pozitive sunt numite exoterme (sau exogene).
Există o eliberare netă de energie, deoarece energia cinetică a stării finale este mai mare decât în starea inițială. Pentru reacțiile în care se observă o scădere a energiei cinetice a produselor, Q este negativ.
Viață de înjumătățire
Timpul de înjumătățire al unei substanțe radioactive este o constantă caracteristică. Măsoară timpul necesar pentru ca o anumită cantitate de materie să fie redusă la jumătate prin dezintegrare și, prin urmare, prin radiație.
Arheologii și geologii folosesc timpul de înjumătățire până în prezent pe obiecte organice într-un proces cunoscut sub numele de datare cu carbon. În timpul descompunerii beta, carbonul 14 este transformat în azot 14. În momentul morții, organismele nu mai produc carbon 14. Deoarece timpul de înjumătățire este constant, raportul dintre carbonul 14 și azotul 14 oferă o măsură a vârstei probei.
În domeniul medical, sursele de energie ale reacțiilor nucleare sunt izotopii radioactivi de cob alt 60, care au fost utilizați pentru radioterapie pentru a micșora tumorile care ulterior vor fi îndepărtate chirurgical sau pentru a ucide celulele canceroase în zone inoperabile.tumori. Când se descompune în nichel stabil, emite două energii relativ mari - raze gamma. Astăzi este înlocuit cu sisteme de radioterapie cu fascicul de electroni.
Timp de înjumătățire la izotop din unele mostre:
- oxigen 16 - infinit;
- uraniu 238 - 4.460.000.000 de ani;
- uraniu 235 - 713.000.000 de ani;
- carbon 14 - 5.730 de ani;
- cob alt 60 - 5, 27 de ani;
- argint 94 - 0,42 secunde.
Dating radiocarbon
La un ritm foarte constant, carbonul 14 instabil se descompune treptat în carbon 12. Raportul acestor izotopi de carbon dezvăluie vârsta unora dintre cei mai bătrâni locuitori ai Pământului.
Datarea cu radiocarbon este o metodă care oferă estimări obiective ale vechimii materialelor pe bază de carbon. Vârsta poate fi estimată prin măsurarea cantității de carbon 14 prezentă într-o probă și comparând-o cu o referință standard internațională.
Impactul datării cu radiocarbon asupra lumii moderne a făcut din aceasta una dintre cele mai semnificative descoperiri ale secolului al XX-lea. Plantele și animalele asimilează carbonul 14 din dioxidul de carbon pe tot parcursul vieții. Când mor, ei încetează să facă schimb de carbon cu biosfera, iar conținutul lor de carbon 14 începe să scadă cu o rată determinată de legea dezintegrarii radioactive.
Datarea cu radiocarbon este în esență o metodă de măsurare a radioactivității reziduale. Știind cât carbon 14 a rămas în probă, puteți aflavârsta organismului când a murit. Trebuie remarcat faptul că rezultatele datării cu radiocarbon arată când organismul era în viață.
Metode de bază pentru măsurarea radiocarbonului
Există trei metode principale utilizate pentru măsurarea carbonului 14 în calculul proporțional al oricărui eșantionar, contor de scintilație lichidă și spectrometrie de masă cu accelerator.
Numărarea proporțională a gazelor este o tehnică obișnuită de datare radiometrică care ia în considerare particulele beta emise de o probă dată. Particulele beta sunt produse de descompunere ai radiocarbonului. În această metodă, proba de carbon este mai întâi convertită în dioxid de carbon gazos înainte de a fi măsurată în contoare proporționale cu gaz.
Numărarea fluidelor de scintilație este o altă metodă de datare cu radiocarbon care a fost populară în anii 1960. În această metodă, proba este în formă lichidă și se adaugă un scintilator. Acest scintilator creează un fulger de lumină atunci când interacționează cu o particulă beta. Tubul de probă este trecut între două fotomultiplicatoare și atunci când ambele dispozitive înregistrează un fulger de lumină, se face o numărare.
Beneficiile 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 practici medicale care implică utilizarea radiațiilor sau a radioactivității pentru diagnostic, tratament și prevenire.boli. În timp ce radiologia a fost folosită de aproape un secol, termenul „medicină nucleară” a început să fie folosit cu aproximativ 50 de ani în urmă.
Energia nucleară este folosită de zeci de ani și este una dintre opțiunile energetice cu cea mai rapidă creștere pentru țările care caută soluții de economisire a energiei cu emisii reduse de energie și securitate energetică.
Arheologii folosesc o gamă largă de metode nucleare pentru a determina vârsta obiectelor. Artefacte precum Giulgiul din Torino, sulurile de la Marea Moartă și Coroana lui Carol cel Mare pot fi datate și autentificate folosind tehnici nucleare.
Tehnicile nucleare sunt folosite în comunitățile agricole pentru a lupta împotriva bolilor. Sursele radioactive sunt utilizate pe scară largă în industria minieră. De exemplu, ele sunt utilizate în testarea nedistructivă a blocajelor în conducte și suduri, în măsurarea densității materialului perforat.
Știința nucleară joacă un rol valoros în a ne ajuta să înțelegem istoria mediului nostru.
