Kärnreaktion (NR) - en process där kärnan i en atom förändras genom att krossa eller kombineras med en annan atoms kärna. Det måste alltså leda till omvandlingen av åtminstone en nuklid till en annan. Ibland, om en kärna interagerar med en annan kärna eller partikel utan att ändra karaktären hos någon nuklid, kallas processen nukleär spridning. Kanske mest anmärkningsvärt är fusionsreaktionerna av lätta element, som påverkar energiproduktionen av stjärnor och solen. Naturliga reaktioner inträffar också i samspelet mellan kosmiska strålar och materia.
Naturlig kärnreaktor
Den mest anmärkningsvärda människokontrollerade reaktionen är fissionsreaktionen som sker i kärnreaktorer. Dessa är anordningar för att initiera och kontrollera en kärnkedjereaktion. Men det finns inte bara konstgjorda reaktorer. Världens första naturliga kärnreaktor upptäcktes 1972 i Oklo i Gabon av den franske fysikern Francis Perrin.
Förutsättningarna under vilka den naturliga energin från en kärnreaktion kunde genereras förutspåddes 1956 av Paul Kazuo Kuroda. Den enda kända platsen ivärlden består av 16 platser där självuppehållande reaktioner av denna typ inträffade. Detta tros ha varit för omkring 1,7 miljarder år sedan och pågått i flera hundra tusen år, vilket bevisas av xenonisotoper (en klyvningsproduktgas) och varierande förhållanden av U-235/U-238 (anrikning av naturligt uran).
Kärnklyvning
Bindningsenergidiagrammet antyder att nuklider med en massa som är större än 130 a.m.u. bör spontant separera från varandra för att bilda lättare och mer stabila nuklider. Experimentellt har forskare funnit att spontana fissionsreaktioner av elementen i en kärnreaktion endast inträffar för de tyngsta nuklider med ett masstal på 230 eller mer. Även om detta görs går det väldigt långsamt. Halveringstiden för spontan fission av 238 U är till exempel 10-16 år, eller ungefär två miljoner gånger längre än vår planets ålder! Fissionsreaktioner kan induceras genom att bestråla prover av tunga nuklider med långsamma termiska neutroner. Till exempel, när 235 U absorberar en termisk neutron, bryts den i två partiklar med ojämn massa och frigör i genomsnitt 2,5 neutroner.
Absorptionen av 238 U-neutronen framkallar vibrationer i kärnan, som deformerar den tills den går sönder i fragment, precis som en droppe vätska kan splittras till mindre droppar. Mer än 370 dotternuklider med atommassa mellan 72 och 161 f.m. bildas under fission av en termisk neutron 235U, inklusive två produkter,visas nedan.
Isotoper av en kärnreaktion, såsom uran, genomgår inducerad klyvning. Men den enda naturliga isotopen 235 U finns i överflöd på endast 0,72 %. Den inducerade klyvningen av denna isotop frigör i genomsnitt 200 MeV per atom, eller 80 miljoner kilojoule per gram av 235 U. Attraktionen av kärnklyvning som energikälla kan förstås genom att jämföra detta värde med de 50 kJ/g som frigörs när det är naturligt. gas förbränns.
Första kärnreaktorn
Den första konstgjorda kärnreaktorn byggdes av Enrico Fermi och hans medarbetare under University of Chicagos fotbollsstadion och togs i drift den 2 december 1942. Denna reaktor, som producerade flera kilowatt effekt, bestod av en hög med 385 ton grafitblock staplade i lager runt ett kubiskt galler av 40 ton uran och uranoxid. Spontan klyvning av 238 U eller 235 U i denna reaktor producerade mycket få neutroner. Men det fanns tillräckligt med uran, så en av dessa neutroner inducerade klyvning av 235 U-kärnan och frigjorde därigenom i genomsnitt 2,5 neutroner, vilket katalyserade klyvningen av ytterligare 235 U-kärnor i en kedjereaktion (kärnreaktioner).
Mängden klyvbart material som krävs för att upprätthålla en kedjereaktion kallas kritisk massa. De gröna pilarna visar uppdelningen av urankärnan i två fissionsfragment som avger nya neutroner. Vissa av dessa neutroner kan utlösa nya fissionsreaktioner (svarta pilar). Några avneutroner kan gå förlorade i andra processer (blå pilar). Röda pilar visar fördröjda neutroner som kommer senare från radioaktiva fissionsfragment och kan utlösa nya fissionsreaktioner.
Beteckning för kärnreaktioner
Låt oss titta på atomernas grundläggande egenskaper, inklusive atomnummer och atommassa. Atomnumret är antalet protoner i en atoms kärna och isotoper har samma atomnummer men skiljer sig i antalet neutroner. Om de initiala kärnorna betecknas a och b, och produktkärnorna betecknas c och d, så kan reaktionen representeras av ekvationen som du kan se nedan.
Vilka kärnreaktioner tar ut för lätta partiklar istället för att använda fullständiga ekvationer? I många situationer används den kompakta formen för att beskriva sådana processer: a (b, c) d är ekvivalent med a + b som producerar c + d. Ljuspartiklar förkortas ofta: vanligtvis står p för proton, n för neutron, d för deuteron, α för alfa eller helium-4, β för beta eller elektron, γ för gammafoton, etc.
Typer av kärnreaktioner
Även om antalet möjliga sådana reaktioner är enormt, kan de sorteras efter typ. De flesta av dessa reaktioner åtföljs av gammastrålning. Här är några exempel:
- Elastisk spridning. Uppstår när ingen energi överförs mellan målkärnan och den inkommande partikeln.
- Oelastisk spridning. Uppstår när energi överförs. Skillnaden i kinetiska energier bevaras i den exciterade nukliden.
- Fånga reaktioner. både laddade ochneutrala partiklar kan fångas av kärnor. Detta åtföljs av emission av ɣ-strålar. Partiklarna i kärnreaktioner i neutroninfångningsreaktionen kallas radioaktiva nuklider (inducerad radioaktivitet).
- Sändningsreaktioner. Absorptionen av en partikel, åtföljd av emission av en eller flera partiklar, kallas en överföringsreaktion.
- Klyvningsreaktioner. Kärnklyvning är en reaktion där kärnan i en atom delas i mindre bitar (lättare kärnor). Klyvningsprocessen producerar ofta fria neutroner och fotoner (i form av gammastrålar) och frigör stora mängder energi.
- Fusionsreaktioner. Uppstår när två eller flera atomkärnor kolliderar med mycket hög hastighet och kombineras för att bilda en ny typ av atomkärna. Deuterium-tritiumfusionskärnpartiklar är av särskilt intresse på grund av deras potential att tillhandahålla energi i framtiden.
- Delande reaktioner. Uppstår när en kärna träffas av en partikel med tillräckligt med energi och fart för att slå ut några små fragment eller bryta den i många fragment.
- Omarrangeringsreaktioner. Detta är absorptionen av en partikel, åtföljd av emissionen av en eller flera partiklar:
- 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
Olika omarrangeringsreaktioner ändrar antalet neutroner och antalet protoner.
Kärnkraftsförfall
Kärnreaktioner uppstår när en instabil atom förlorar energi genomstrålning. Det är en slumpmässig process på nivån för enskilda atomer, eftersom det enligt kvantteorin är omöjligt att förutsäga när en enskild atom kommer att sönderfalla.
Det finns många typer av radioaktivt sönderfall:
- Alfaradioaktivitet. Alfa-partiklar är uppbyggda av två protoner och två neutroner bundna till en partikel som är identisk med en heliumkärna. På grund av sin mycket stora massa och sin laddning joniserar den materialet kraftigt och har en mycket kort räckvidd.
- Betaradioaktivitet. Det är högenergi-, höghastighetspositroner, eller elektroner, som emitteras från vissa typer av radioaktiva kärnor, såsom kalium-40. Beta-partiklar har ett större penetrationsområde än alfapartiklar, men fortfarande mycket mindre än gammastrålar. Utstötta beta-partiklar är en form av joniserande strålning, även känd som kärnkedjereaktion beta-strålar. Produktionen av beta-partiklar kallas beta-sönderfall.
- Gammaradioaktivitet. Gammastrålar är elektromagnetisk strålning med mycket hög frekvens och är därför högenergifotoner. De bildas när kärnorna sönderfaller när de går från ett högenergitillstånd till ett lägre tillstånd som kallas gammasönderfall. De flesta kärnreaktioner åtföljs av gammastrålning.
- Neutronutsläpp. Neutronemission är en typ av radioaktivt sönderfall av kärnor som innehåller överskott av neutroner (särskilt fissionsprodukter), där neutronen helt enkelt stöts ut från kärnan. Den här typenstrålning spelar en nyckelroll i kontrollen av kärnreaktorer eftersom dessa neutroner är försenade.
Energy
Q-värdet för energin i en kärnreaktion är mängden energi som frigörs eller absorberas under reaktionen. Det kallas energibalansen, eller Q-värdet för reaktionen. Denna energi uttrycks som skillnaden mellan produktens kinetiska energi och mängden reaktant.
Allmän bild av reaktionen: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), där x och X är reaktanter, och y och Y är reaktionsprodukt, som kan bestämma energin för en kärnreaktion, Q är energibalansen.
Q-värde NR avser den energi som frigörs eller absorberas i en reaktion. Det kallas också NR-energibalansen, som kan vara positiv eller negativ beroende på arten.
Om Q-värdet är positivt kommer reaktionen att vara exoterm, även kallad exoergisk. Hon släpper energi. Om Q-värdet är negativt är reaktionen endoergisk eller endoterm. Sådana reaktioner utförs genom att absorbera energi.
Inom kärnfysik definieras sådana reaktioner av Q-värdet, som skillnaden mellan summan av de initiala reaktanternas massor och slutprodukterna. Det mäts i energienheter MeV. Betrakta en typisk reaktion där projektil a och mål A ger efter för två produkter B och b.
Detta kan uttryckas så här: a + A → B + B, eller till och med i en mer kompakt notation - A (a, b) B. Typer av energier i en kärnreaktion och innebörden av denna reaktionbestäms av formeln:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, som sammanfaller med den överskottskinetiska energin hos slutprodukterna:
Q=T final - T initial
För reaktioner där det finns en ökning av den kinetiska energin hos produkterna är Q positivt. Positiva Q-reaktioner kallas exotermiska (eller exogena).
Det finns en nettofrisättning av energi, eftersom den kinetiska energin i sluttillståndet är större än i det initiala tillståndet. För reaktioner där en minskning av produkternas kinetiska energi observeras är Q negativ.
Halveringstid
Halveringstiden för ett radioaktivt ämne är en karakteristisk konstant. Den mäter den tid som krävs för att en given mängd materia ska halveras genom sönderfall och därmed strålning.
Arkeologer och geologer använder den hittillsvarande halveringstiden på organiska föremål i en process som kallas koldatering. Under beta-sönderfall omvandlas kol 14 till kväve 14. Vid tidpunkten för döden slutar organismer att producera kol 14. Eftersom halveringstiden är konstant ger förhållandet mellan kol 14 och kväve 14 ett mått på provets ålder.
Inom det medicinska området är energikällorna för kärnreaktioner radioaktiva isotoper av Cob alt 60, som har använts för strålbehandling för att krympa tumörer som senare kommer att avlägsnas kirurgiskt, eller för att döda cancerceller i inoperablatumörer. När det sönderfaller till stabilt nickel avger det två relativt höga energier - gammastrålar. Idag ersätts den av elektronstrålebehandlingssystem.
Isotophalveringstid från vissa prover:
- oxygen 16 - oändlig;
- uranium 238 - 4 460 000 000 år;
- uran 235 - 713 000 000 år;
- kol 14 - 5 730 år;
- kobolt 60 - 5, 27 år gammal;
- silver 94 - 0,42 sekunder.
Radiocarbon dating
I en mycket jämn hastighet sönderfaller instabilt kol 14 gradvis till kol 12. Förhållandet mellan dessa kolisotoper avslöjar åldern på några av jordens äldsta invånare.
Radiokoldatering är en metod som ger objektiva uppskattningar av åldern på kolbaserade material. Ålder kan uppskattas genom att mäta mängden kol 14 som finns i ett prov och jämföra det med en internationell standardreferens.
Inverkan av radiokoldatering på den moderna världen har gjort det till en av 1900-talets viktigaste upptäckter. Växter och djur assimilerar kol 14 från koldioxid under hela livet. När de dör slutar de att byta kol med biosfären och deras kol 14-h alt börjar minska i en takt som bestäms av lagen om radioaktivt sönderfall.
Radiokoldatering är i huvudsak en metod för att mäta kvarvarande radioaktivitet. När du vet hur mycket kol 14 som finns kvar i provet kan du ta reda på detorganismens ålder när den dog. Det bör noteras att resultaten av radiokoldatering visar när organismen levde.
Grundläggande metoder för att mäta radiokarbon
Det finns tre huvudmetoder som används för att mäta kol 14 i en given provtagningsproportionell beräkning, vätskescintillationsräknare och acceleratormasspektrometri.
Proportionell gasräkning är en vanlig radiometrisk dateringsteknik som tar hänsyn till beta-partiklarna som emitteras av ett givet prov. Beta-partiklar är sönderfallsprodukter av radiokol. I denna metod omvandlas kolprovet först till koldioxidgas innan det mäts i gasproportionella mätare.
Scintillationsvätskeräkning är en annan metod för radiokoldatering som var populär på 1960-talet. I denna metod är provet i flytande form och en scintillator tillsätts. Denna scintillator skapar en ljusblixt när den interagerar med en beta-partikel. Provröret förs mellan två fotomultiplikatorer och när båda enheterna registrerar en ljusblixt görs en räkning.
Nuclear Sciences fördelar
Kärnreaktionernas lagar används inom ett brett spektrum av grenar av vetenskap och teknik, som medicin, energi, geologi, rymd- och miljöskydd. Nukleärmedicin och radiologi är medicinsk praxis som involverar användning av strålning eller radioaktivitet för diagnos, behandling och förebyggande.sjukdomar. Medan radiologi har använts i nästan ett sekel, började termen "nukleärmedicin" användas för ungefär 50 år sedan.
Kärnkraft har använts i decennier och är ett av de snabbast växande energi alternativen för länder som söker energisäkerhet och energisparlösningar med låga utsläpp.
Arkeologer använder ett brett utbud av nukleära metoder för att fastställa objekts ålder. Artefakter som Turins hölje, Dödahavsrullarna och Karl den Stores krona kan dateras och autentiseras med hjälp av nukleära tekniker.
Nukleära tekniker används i jordbrukssamhällen för att bekämpa sjukdomar. Radioaktiva källor används i stor utsträckning inom gruvindustrin. De används till exempel vid oförstörande testning av blockeringar i rörledningar och svetsar, vid mätning av densiteten hos stansat material.
Kärnvetenskap spelar en värdefull roll för att hjälpa oss förstå vår miljös historia.
