Ядерні реакції: види, закони

Ядерна реакція (ЯР) — процес, в якому ядро атома змінюється шляхом дроблення або з’єднання з ядром іншого атома. Таким чином, вона повинна призводити до перетворення щонайменше одного нукліда в інший. Іноді, якщо ядро взаємодіє з іншим ядром або часткою без зміни природи будь-якого нукліда, процес відноситься до ядерного розсіяння. Мабуть, найбільш помітними є реакції ядерного синтезу легких елементів, які впливають на виробництво енергії зірок і Сонця. Природні реакції відбуваються також у взаємодії космічних променів з речовиною.

Природний ядерний реактор

Найбільш помітною контрольованої людиною реакцією є реакція ділення, яка відбувається в ядерних реакторах. Це пристрої для ініціювання та контролю ядерної ланцюгової реакції. Але існують не тільки штучні реактори. Перший природний ядерний реактор у світі був виявлений в 1972 році в Окло в Габоні французьким фізиком Френсісом Перрином.

Умови, в яких могла вироблятися природна енергія ядерної реакції, були передбачені в 1956 році Підлогою Кадзуо Курода. Єдине відоме місце в світі складається з 16 ділянок, в яких відбувалися самоподдерживающиеся реакції такого типу. Як вважають, це було приблизно 1,7 мільярда років тому і тривало протягом кількох сотень тисяч років, що було підтверджено наявністю ізотопів ксенону (газоподібного продукту ділення) і різним ставленням U-235/U-238 (збагачення природного урану).

Ядерне ділення

Графік енергії зв’язку припускає, що нукліди з масою більше 130 а.е.м. повинні спонтанно відокремитися один від одного, щоб сформувати більш легкі і стабільні нукліди. Експериментально вчені встановили, що спонтанні реакції поділу елементів ядерної реакції відбуваються тільки для самих важких нуклідів з масовим числом 230 або більше. Навіть якщо це відбувається, то дуже повільно. Період напіврозпаду для спонтанного поділу 238 U, наприклад, становить 10-16 років, або приблизно в два мільйони разів довше, ніж вік нашої планети! Опроміненням зразків важких нуклідів повільними тепловими нейтронами можна індукувати реакції ділення. Наприклад, коли 235 U поглинає тепловий нейтрон, він розбивається на дві частинки з нерівномірною масою і вивільняє в середньому 2,5 нейтрона.

Поглинання нейтрона 238 U індукує коливання в ядрі, які деформують його до тих пір, поки він не розколеться на фрагменти так, як крапля рідини може розлетітися на дрібні крапельки. Більш ніж 370 дочірніх нуклідів з атомними масами між 72 і 161 а.е.м. утворюються при поділі на тепловому нейтроне 235U, включаючи два продукту, показаних нижче.

Ізотопи ядерної реакції, такі як уран, піддаються індукованого поділу. Але єдиний природний ізотоп 235 U присутня в достатку всього 0,72 %. Індуковане поділ цього ізотопу вивільняє в середньому 200 Мев на атом, або 80 мільйонів кілоджоулів на грам 235 U. Тяжіння ядерного поділу як джерела енергії можна зрозуміти, порівнюючи це значення з 50 кДж/г, вивільняється, коли спалюється природний газ.

Перший ядерний реактор

Перший штучний ядерний реактор був побудований Енріко Фермі та працівниками під футбольним стадіоном Університету Чикаго, ввели його в експлуатацію 2 грудня 1942 року. Цей реактор, який виробляв кілька кіловат енергії, складався з купи графітових блоків вагою 385 тонн, покладених шарами навколо кубічної решітки з 40 тонн урану і оксиду урану. Спонтанне ділення 238 U або 235 U в цьому реакторі викликало дуже мала кількість нейтронів. Але досить було урану, так що один з цих нейтронів індукував поділ ядра 235 U, тим самим вивільнивши в середньому 2,5 нейтрона, які каталізували розподіл додаткових ядер 235 U ланцюгової реакції (ядерні реакції).

Кількість матеріалу, що розщеплюється необхідного для підтримання ланцюгової реакції, називається критичною масою. Зелені стрілки показують розкол ядра урану в двох осколках поділу, випускають нові нейтрони. Деякі з цих нейтронів можуть викликати нові реакції поділу (чорні стрілки). Деякі з нейтронів можуть бути втрачені в інших процесах (сині стрілки). Червоні стрілки показують затримані нейтрони, які надходять пізніше радіоактивних осколків розподілу і можуть викликати нові реакції ділення.

Позначення ядерних реакцій

Розглянемо основні властивості атомів, включаючи атомне число та атомну масу. Атомний номер являє собою число протонів в ядрі атома, а ізотопи мають однаковий атомний номер, але розрізняються по числу нейтронів. Якщо початкові ядра позначаються а і b, а ядра твору позначаються с і d, то реакція може бути представлена рівнянням, яке ви можете бачити нижче.

Які ядерні реакції замість використання повних рівнянь скорочуються для легких частинок? У багатьох ситуаціях для опису таких процесів використовується компактна форма: a (b, c) d еквівалентно a + b, робить c + d. Легкі частинки часто скорочуються: зазвичай p означає протон, n — нейтрон, d — дейтрон, α — альфа-частинку, або гелій-4, β — бета-частинку, або електрон, γ — гамма-фотон і т. д.

Види ядерних реакцій

Хоча число можливих таких реакцій багато, їх можна сортувати за типами. Велика частина таких реакцій супроводжується гамма-випромінюванням. Ось деякі приклади:

  • Пружне розсіювання. Відбувається, коли енергія між ядром-мішенню і падаючої часткою не передається.
  • Неупругое розсіювання. Відбувається, коли енергія передається. Різниця кінетичних енергій зберігається у збудженому нуклиде.
  • Реакції захоплення. Як негативні, так і нейтральні частинки можуть захоплюватися ядрами. Це супроводжується випромінюванням ɣ-променів. Частинки ядерних реакцій при реакції нейтронного захвату називаються радіоактивними нуклідами (індукована радіоактивність).
  • Реакції передачі. Поглинання частинки, що супроводжується випущенням однієї або декількох частинок, називається реакцією переносу.
  • Реакції ділення. Ядерне ділення є реакцією, в якій ядро атома розщеплюється на більш дрібні частини (більш легкі ядра). Процес розподілу часто приводить до утворення вільних нейтронів і фотонів (у вигляді гамма-променів) і вивільняє велику кількість енергії.
  • Реакції злиття. Відбуваються, коли два або більше атомних ядра стикаються з дуже високою швидкістю і об’єднуються, утворюючи новий тип атомного ядра. Частинки ядерних реакцій злиття дейтерію і тритію особливо цікаві з-за їх потенціалу забезпечення енергії в майбутньому.
  • Реакції розщеплення. Відбуваються, коли ядро уражається частинкою з достатньою енергією і імпульсом, щоб вибити кілька дрібних фрагментів або розбити її на багато фрагменти.
  • Реакції перегрупування. Це поглинання частинки, що супроводжується випущенням однієї або декількох часток:
    • 197Au (p, d) 196mAu
    • 4He (a, p) 7Li
    • 27Al (a, n) 30P
    • 54Fe (a, d) 58Co
    • 54Fe (a, n 2) 56Ni
    • 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

    Різні реакції перегрупування змінюють кількість нейтронів і число протонів.

    Ядерний розпад

    Ядерні реакції відбуваються, коли нестабільний атом втрачає енергію за рахунок випромінювання. Він є випадковим процесом на рівні одиничних атомів, оскільки згідно з квантовою теорією неможливо передбачити, коли окремий атом буде розпадатися.

    Існує багато видів радіоактивного розпаду:

  • Альфа-радіоактивність. Частинки Alpha складаються з двох протонів і двох нейтронів, пов’язаних разом з частинкою, ідентичною ядра гелію. З-за дуже великої маси та її заряду він сильно іонізує матеріал і має дуже короткий діапазон.
  • Бета-радіоактивність. Вона являє собою високоенергетичні високошвидкісні позитрони або електрони, випромінювані деякими типами радіоактивних ядер, таких як калій-40. Бета-частинки мають більший діапазон проникнення, ніж альфа-частинки, але все ж набагато менше, ніж гамма-промені. Викинуті бета-частинки являють собою форму іонізуючого випромінювання, також відомого як бета-промені ланцюгової ядерної реакції. Отримання бета-частинок називається бета-розпадом.
  • Гамма-радіоактивність. Гамма-промені являють собою електромагнітне випромінювання дуже високої частоти і, отже, є фотонами високої енергії. Вони утворюються при розпаді ядер при їх переході із стану високої енергії в більш низький стан, відоме як гамма-розпад. Велика частина ядерних реакцій супроводжується гамма-випромінюванням.
  • Нейтронна емісія. Нейтронна емісія являє собою тип радіоактивного розпаду ядер, що містять надлишкові нейтрони (особливо продукти розподілу), в яких нейтрон просто викидається з ядра. Цей тип випромінювання відіграє ключову роль в управлінні ядерними реакторами, тому що ці нейтрони є затриманими.
  • Енергетика

    Q-значення енергії ядерної реакції — це кількість енергії, що виділяється або поглиненої під час реакції. Називається енергетичним балансом, або Q-значенням реакції. Ця енергія виражається як різниця між кінетичною енергією продукту і величиною реагенту.

    Загальний вигляд реакції: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), де x і X є реагентами, а y і Y — продуктом реакції, які можуть визначити енергію ядерної реакції, Q — енергетичний баланс.

    Q-значення ЯР означає енергію, що вивільняється або поглинену в реакції. Вона також називається енергетичним балансом ЯР, який може бути позитивним або негативним залежно від характеру.

    Якщо Q-значення позитивно, реакція буде екзотермічної, її також називають экзоэргической. Вона вивільняє енергію. Якщо Q-значення негативно, реакція є эндоэргической, або ендотермічної. Такі реакції здійснюються за рахунок поглинання енергії.

    В ядерній фізиці подібні реакції визначаються Q-значенням, як різниця між сумою мас вихідних реагентів і кінцевих продуктів. Вимірюється в енергетичних одиницях Мев. Розглянемо типову реакцію, в якій снаряд a і A мета поступаються двом продуктів B і b.

    Це може бути виражено так: а + A → B + B , або навіть в більш компактній запису — А (а, б) B. Види енергій в ядерній реакції і значення цієї реакції визначається за формулою:

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

    що збігається з надлишковою кінетичної енергією кінцевих продуктів:

    Q = T final — T початковий

    Для реакцій, у яких спостерігається збільшення кінетичної енергії продуктів, Q — позитивно. Позитивні Q-реакції називаються екзотермічними (або екзогенними).

    Існує чисте виділення енергії, так як кінетична енергія кінцевого стану більше, ніж у початковому стані. Для реакцій, у яких спостерігається зменшення кінетичної енергії продуктів, Q — негативно.

    Період напіврозпаду

    Період напіврозпаду радіоактивної речовини є характерною константою. Він вимірює час, необхідний для того, щоб певна кількість речовини зменшилася наполовину внаслідок розпаду і, отже, випромінювання.

    Археологи і геологи використовують період напіврозпаду до теперішнього часу щодо органічних об’єктів у процесі, відомому як датування вуглецю. Під час бета-розпаду вуглець 14 перетворюється в азот 14. Під час смерті організми перестають виробляти вуглець 14. Оскільки період напіврозпаду є постійним, відношення вуглецю 14 до азоту 14 забезпечує вимір віку зразка.

    В медичній галузі джерелами енергії ядерних реакцій є радіоактивні ізотопи Кобальту 60, який використовувався для променевої терапії по скороченню пухлин, які згодом будуть видалені хірургічним шляхом, або для знищення ракових клітин в неоперабельних пухлинах. Коли він розпадається на стабільний нікель, то випускає дві відносно високі енергії — гамма-випромінювання. Сьогодні він замінюється системами променевої терапії електронним пучком.

    Період напіврозпаду ізотопів від деяких зразків:

    • кисень 16 — нескінченний;
    • уран 238 — 4 460 000 000 років;
    • уран 235 — 713 000 000 років;
    • вуглець 14 — 5 730 років;
    • кобальт 60 — 5,27 року;
    • срібло 94 — 0,42 секунди.

    Радіовуглецеве датування

    При дуже стійкої швидкості нестійкий вуглець 14 поступово розпадається на вуглець 12. Співвідношення цих ізотопів вуглецю показує вік деяких найстаріших жителів Землі.

    Радіовуглецеве датування — це метод, який забезпечує об’єктивні оцінки віку матеріалів на основі вуглецю. Вік можна оцінити, вимірюючи кількість вуглецю 14, присутнього в зразку, і порівнюючи його з міжнародним стандартним еталоном.

    Вплив методу радіовуглецевого датування в сучасному світі зробило його одним із самих значних відкриттів XX століття. Рослини і тварини асимілюють вуглець 14 з вуглекислого газу протягом всього життя. Коли вони помирають, то перестають обмінювати вуглець з біосферою, а вміст вуглецю 14 у них починає знижуватися зі швидкістю, яка визначається законом радіоактивного розпаду.

    Радіовуглецеве датування — по суті метод, призначений для вимірювання залишкової радіоактивності. Знаючи, скільки вуглецю 14 залишилося в зразку, можна дізнатися вік організму, коли він помер. Слід зазначити, що результати радіовуглецевого датування показують, коли організм був живий.

    Основні методи вимірювання радиоуглерода

    Існують три основних методи, що використовуються для вимірювання вмісту вуглецю 14 в будь-якому заданому пропорційному розрахунку пробовідбірника, рідкому сцинтиляційному лічильнику і мас-спектрометрії прискорювача.

    Пропорційний рахунок газу являє собою звичайну радіометричну методику датування, яка враховує бета-частинки, що випускаються даним зразком. Бета-частинки є продуктами розпаду радиоуглерода. У цьому методі зразок вуглецю спочатку перетворюється в газоподібний діоксид вуглецю перед вимірюванням в газових пропорційних лічильниках.

    Сцинтиляційний підрахунок рідин — ще один метод радіовуглецевого датування, який був популярний в 1960-х роках. У цьому методі зразок знаходиться в рідкій формі і додається сцинтилятор. Цей сцинтилятор створює спалах світла, коли він взаємодіє з бета-частинкою. Пробірку зі зразком пропускають між двома фотоумножителями, і коли обидва пристрої реєструють спалах світла, проводиться підрахунок.

    Переваги ядерної науки

    Закони ядерних реакцій використовують у широкому діапазоні галузей науки та техніки, таких як медицина, енергетика, геологія, космос і захист навколишнього середовища. Ядерна медицина та радіологія — це медичні методи, які включають використання радіації або радіоактивності для діагностики, лікування та профілактики захворювань. У той час як радіологія використовувалася майже століття, термін «ядерна медицина» почав застосовуватися близько 50 років тому.

    Ядерна енергія використовується протягом десятиліть і є одним з найбільш швидко зростаючих енергетичних варіантів для країн, що прагнуть до енергетичної безпеки та енергозберігаючих рішень з низьким рівнем викидів.

    Археологи використовують широкий спектр ядерних методів для визначення віку предметів. Артефакти, такі як Туринська плащаниця, Сувої Мертвого моря і Корона Карла Великого, можуть бути датовані, і їх справжність перевірена з використанням ядерних методів.

    Ядерні методи використовуються в сільськогосподарських товариствах для боротьби з хворобами. Радіоактивні джерела широко застосовуються в гірничодобувній промисловості. Наприклад, вони використовуються при неруйнівних випробувань закупорювання трубопроводів і зварних швів, вимірюванні щільності пробиваемого матеріалу.

    Ядерна наука відіграє важливу роль, допомагаючи нам зрозуміти історію нашого навколишнього середовища.