Ydinreaktio (NR) - prosessi, jossa atomin ydin muuttuu murskaamalla tai yhdistymällä toisen atomin ytimeen. Siten sen on johdettava ainakin yhden nuklidin muuttumiseen toiseksi. Joskus, jos ydin on vuorovaikutuksessa toisen ytimen tai hiukkasen kanssa muuttamatta minkään nuklidin luonnetta, prosessia kutsutaan ydinsironnaksi. Ehkä merkittävimpiä ovat valoelementtien fuusioreaktiot, jotka vaikuttavat tähtien ja auringon energiantuotantoon. Luonnollisia reaktioita esiintyy myös kosmisten säteiden vuorovaikutuksessa aineen kanssa.
Luonnollinen ydinreaktori
Huomattavin ihmisen ohjaama reaktio on ydinreaktoreissa tapahtuva fissioreaktio. Nämä ovat laitteita ydinketjureaktion käynnistämiseen ja hallitsemiseen. Mutta ei ole olemassa vain keinotekoisia reaktoreita. Ranskalainen fyysikko Francis Perrin löysi maailman ensimmäisen luonnollisen ydinreaktorin vuonna 1972 Oklosta Gabonista.
Olosuhteet, joissa ydinreaktion luonnollinen energia voitiin syntyä, ennusti vuonna 1956 Paul Kazuo Kuroda. Ainoa tunnettu paikkaMaailma koostuu 16 paikasta, joissa tämän tyyppisiä itseään ylläpitäviä reaktioita tapahtui. Tämän uskotaan olleen noin 1,7 miljardia vuotta sitten ja jatkuneen useita satoja tuhansia vuosia, mistä ovat osoituksena ksenon-isotoopit (fissiotuotekaasu) ja vaihtelevat U-235/U-238-suhteet (luonnollinen uraanin rikastus).
Ydinfissio
Sitoutuva energiakäyrä viittaa siihen, että nuklidit, joiden massa on yli 130 a.m.u. tulee spontaanisti erottua toisistaan muodostaen kevyempiä ja vakaampia nuklideja. Tutkijat ovat kokeellisesti havainneet, että ydinreaktion alkuaineiden spontaanit fissioreaktiot tapahtuvat vain raskaimmilla nuklideilla, joiden massaluku on 230 tai enemmän. Vaikka tämä tehdään, se on hyvin hidasta. Esimerkiksi 238 U:n spontaanin fission puoliintumisaika on 10-16 vuotta eli noin kaksi miljoonaa kertaa pidempi kuin planeettamme ikä! Fissioreaktioita voidaan saada aikaan säteilyttämällä raskaiden nuklidien näytteitä hitailla lämpöneutroneilla. Esimerkiksi kun 235 U absorboi lämpöneutronin, se hajoaa kahdeksi epätasapainoiseksi hiukkaseksi ja vapauttaa keskimäärin 2,5 neutronia.
238 U:n neutronin absorptio aiheuttaa ytimessä värähtelyjä, jotka muuttavat sitä, kunnes se hajoaa palasiksi, aivan kuten nestepisara voi särkyä pienemmiksi pisaroiksi. Yli 370 tytärnuklidia, joiden atomimassat ovat välillä 72-161 a.m.u. muodostuu fission aikana lämpöneutronilla 235U, mukaan lukien kaksi tuotetta,näkyy alla.
Ydinreaktion isotoopit, kuten uraani, joutuvat indusoituneeseen fissioon. Mutta ainoaa luonnollista isotooppia 235 U on vain 0,72 % runsaudesta. Tämän isotoopin indusoitu fissio vapauttaa keskimäärin 200 MeV atomia kohti eli 80 miljoonaa kilojoulea 235 U:n grammaa kohti. Ydinfission houkuttelevuus energialähteenä voidaan ymmärtää vertaamalla tätä arvoa luonnollisena vapautuvaan 50 kJ/g:aan. kaasua poltetaan.
Ensimmäinen ydinreaktori
Enrico Fermi ja työtoverit rakensivat ensimmäisen keinotekoisen ydinreaktorin Chicagon yliopiston jalkapallostadionille, ja se otettiin käyttöön 2. joulukuuta 1942. Tämä useita kilowatteja tehoa tuottanut reaktori koostui kasasta 385 tonnia grafiittilohkoja, jotka oli pinottu kerroksittain 40 tonnin uraania ja uraanioksidia sisältävän kuutiohilan ympärille. Spontaani fissio 238 U tai 235 U tässä reaktorissa tuotti hyvin vähän neutroneja. Mutta uraania oli tarpeeksi, joten yksi näistä neutroneista aiheutti 235 U:n ytimen fission, jolloin vapautui keskimäärin 2,5 neutronia, mikä katalysoi 235 U:n lisäytimen fissiota ketjureaktiossa (ydinreaktiot).
Ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavaa halkeamiskelpoisen materiaalin määrää kutsutaan kriittiseksi massaksi. Vihreät nuolet osoittavat uraanin ytimen jakautumista kahdeksi fissiopalaksi, jotka lähettävät uusia neutroneja. Jotkut näistä neutroneista voivat laukaista uusia fissioreaktioita (mustat nuolet). Jotkutneutronit voivat kadota muissa prosesseissa (siniset nuolet). Punaiset nuolet osoittavat viivästyneitä neutroneja, jotka saapuvat myöhemmin radioaktiivisista fissiofragmenteista ja voivat laukaista uusia fissioreaktioita.
Ydinreaktioiden nimitys
Katsotaanpa atomien perusominaisuuksia, mukaan lukien atomiluku ja atomimassa. Atomiluku on protonien lukumäärä atomin ytimessä, ja isotoopeilla on sama atominumero, mutta ne eroavat neutronien lukumäärästä. Jos alkuytimiä merkitään a ja b ja tuoteytimiä merkitään c ja d, niin reaktio voidaan esittää yhtälöllä, jonka näet alla.
Mitkä ydinreaktiot kumoavat kevyitä hiukkasia sen sijaan, että käytettäisiin täydellisiä yhtälöitä? Monissa tilanteissa tällaisten prosessien kuvaamiseen käytetään kompaktia muotoa: a (b, c) d vastaa a + b:tä, joka tuottaa c + d:n. Valopartikkeleista käytetään usein lyhennettä: yleensä p tarkoittaa protonia, n neutronia, d deuteronia, α alfa tai helium-4, β beeta tai elektroni, γ gammafotonia jne.
Ydinreaktioiden tyypit
Vaikka mahdollisten tällaisten reaktioiden määrä on v altava, ne voidaan lajitella tyypin mukaan. Useimpiin näistä reaktioista liittyy gammasäteilyä. Tässä muutamia esimerkkejä:
- Elastinen sironta. Tapahtuu, kun energiaa ei siirretä kohdeytimen ja saapuvan hiukkasen välillä.
- Joustamaton sironta. Syntyy, kun energiaa siirretään. Kineettisten energioiden ero säilyy viritetyssä nuklidissa.
- Kaappaa reaktiot. sekä ladattu ettäneutraalit hiukkaset voidaan siepata ytimillä. Tähän liittyy ɣ-säteiden emission. Neutronien sieppausreaktion ydinreaktioiden hiukkasia kutsutaan radioaktiivisiksi nuklideiksi (indusoitu radioaktiivisuus).
- Lähetysreaktiot. Hiukkasen absorptiota, johon liittyy yhden tai useamman hiukkasen emissio, kutsutaan siirtoreaktioksi.
- Fissioreaktiot. Ydinfissio on reaktio, jossa atomin ydin hajoaa pienempiin osiin (kevyempiin ytimiin). Fissioprosessi tuottaa usein vapaita neutroneja ja fotoneja (gammasäteiden muodossa) ja vapauttaa suuria määriä energiaa.
- Fuusioreaktiot. Tapahtuu, kun kaksi tai useampi atomiydin törmää hyvin suurella nopeudella ja yhdistyvät muodostaen uudentyyppisen atomiytimen. Deuterium-tritium-fuusioydinhiukkaset ovat erityisen kiinnostavia, koska ne voivat tarjota energiaa tulevaisuudessa.
- Reaktioiden jakautuminen. Tapahtuu, kun ytimeen osuu hiukkanen, jolla on tarpeeksi energiaa ja vauhtia lyödäkseen muutaman pienen palasen tai hajottaakseen sen useiksi paloiksi.
- Uudelleenjärjestelyreaktiot. Tämä on hiukkasen absorptio, johon liittyy yhden tai useamman hiukkasen emission:
- 197Au (p, d) 196 mAu
- 4Hän (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Erilaiset uudelleenjärjestelyreaktiot muuttavat neutronien ja protonien määrää.
Ydinhajoaminen
Ydinreaktioita tapahtuu, kun epävakaa atomi menettää energiaasäteilyä. Se on satunnainen prosessi yksittäisten atomien tasolla, koska kvanttiteorian mukaan on mahdotonta ennustaa, milloin yksittäinen atomi hajoaa.
Radioaktiivista hajoamista on monenlaisia:
- Alfa-radioaktiivisuus. Alfahiukkaset koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, jotka on sidottu yhteen heliumytimen kanssa identtisellä hiukkasella. Erittäin suuren massansa ja varauksensa ansiosta se ionisoi materiaalia voimakkaasti ja sillä on hyvin lyhyt kantama.
- Beta-radioaktiivisuus. Se on korkeaenergisiä, nopeita positroneja tai elektroneja, jotka säteilevät tietyntyyppisistä radioaktiivisista ytimistä, kuten kalium-40. Beetahiukkasilla on suurempi tunkeutumisalue kuin alfahiukkasilla, mutta silti paljon pienempi kuin gammasäteillä. Ulospurkautuvat beetahiukkaset ovat ionisoivan säteilyn muoto, joka tunnetaan myös ydinketjureaktion beetasäteinä. Beetahiukkasten tuotantoa kutsutaan beetahajoamiseksi.
- Gammaradioaktiivisuus. Gammasäteet ovat erittäin korkeataajuista sähkömagneettista säteilyä ja ovat siksi korkean energian fotoneja. Ne muodostuvat, kun ytimet hajoavat, kun ne siirtyvät korkeaenergisesta tilasta alempaan tilaan, joka tunnetaan nimellä gammahajoaminen. Useimpiin ydinreaktioihin liittyy gammasäteilyä.
- Neutronipäästö. Neutroniemissio on ylimääräisiä neutroneja (etenkin fissiotuotteita) sisältävien ytimien radioaktiivista hajoamista, jossa neutroni yksinkertaisesti poistuu ytimestä. Tämä tyyppisäteilyllä on keskeinen rooli ydinreaktorien hallinnassa, koska nämä neutronit viivästyvät.
Energia
Ydinreaktion energian Q-arvo on reaktion aikana vapautuneen tai absorboituneen energian määrä. Sitä kutsutaan energiatasapainoksi tai reaktion Q-arvoksi. Tämä energia ilmaistaan tuotteen kineettisen energian ja reagoivan aineen määrän välisenä erona.
Yleinen näkymä reaktiosta: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), jossa x ja X ovat lähtöaineita ja y ja Y ovat reaktiotuote, joka voi määrittää ydinreaktion energian, Q on energiatase.
Q-arvo NR viittaa reaktiossa vapautuneeseen tai absorboituun energiaan. Sitä kutsutaan myös NR-energiataseeksi, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen luonteesta riippuen.
Jos Q-arvo on positiivinen, reaktio on eksoterminen, jota kutsutaan myös eksoergiseksi. Hän vapauttaa energiaa. Jos Q-arvo on negatiivinen, reaktio on endoerginen tai endoterminen. Tällaiset reaktiot suoritetaan absorboimalla energiaa.
Ydinfysiikassa tällaiset reaktiot määritellään Q-arvolla, joka on alkuperäisten reaktanttien ja lopputuotteiden massojen summan erotus. Se mitataan energiayksiköissä MeV. Tarkastellaan tyypillistä reaktiota, jossa ammus a ja kohde A antavat kaksi tuotetta B ja b.
Tämä voidaan ilmaista näin: a + A → B + B, tai jopa tiiviimmällä merkinnällä - A (a, b) B. Ydinreaktion energiatyypit ja tämän reaktion merkitysmääritetään kaavalla:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, joka osuu yhteen lopputuotteiden ylimääräisen kineettisen energian kanssa:
Q=T lopullinen - T alku
Reaktioissa, joissa tuotteiden kineettinen energia lisääntyy, Q on positiivinen. Positiivisia Q-reaktioita kutsutaan eksotermisiksi (tai eksogeenisiksi).
Energia vapautuu nettomääräisesti, koska lopputilan kineettinen energia on suurempi kuin alkutilassa. Reaktioissa, joissa havaitaan tuotteiden kineettisen energian lasku, Q on negatiivinen.
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaika on tyypillinen vakio. Se mittaa aikaa, joka tarvitaan tietyn aineen määrän vähenemiseen puoleen hajoamisen ja siten säteilyn kautta.
Arkeologit ja geologit käyttävät tähänastisia puoliintumisaikoja orgaanisissa esineissä prosessissa, joka tunnetaan nimellä hiiliajanmääritys. Beetahajoamisen aikana hiili 14 muuttuu typeksi 14. Kuollessaan organismit lopettavat hiilen 14 tuotannon. Koska puoliintumisaika on vakio, hiilen 14 ja typen 14 suhde mittaa näytteen ikää.
Lääketieteessä ydinreaktioiden energialähteitä ovat Cob alt 60:n radioaktiiviset isotoopit, jota on käytetty sädehoidossa myöhemmin kirurgisesti poistettavien kasvainten pienentämiseen tai syöpäsolujen tappamiseen käyttökelvottomissakasvaimia. Kun se hajoaa vakaaksi nikkeliksi, se lähettää kaksi suhteellisen suurta energiaa - gammasäteitä. Nykyään se korvataan elektronisädehoitojärjestelmillä.
Isotoopin puoliintumisaika joistakin näytteistä:
- happi 16 - ääretön;
- uraani 238 - 4 460 000 000 vuotta;
- uraani 235 - 713 000 000 vuotta;
- hiili 14 - 5 730 vuotta;
- koboltti 60 - 5, 27 vuotta vanha;
- hopea 94 - 0,42 sekuntia.
Radiohiilidattaus
Hyvin tasaisella nopeudella epävakaa hiili 14 hajoaa vähitellen hiileksi 12. Näiden hiilen isotooppien suhde paljastaa joidenkin maapallon vanhimpien asukkaiden iän.
Radiohiilidattaus on menetelmä, joka antaa objektiivisia arvioita hiilipohjaisten materiaalien iästä. Ikä voidaan arvioida mittaamalla näytteessä olevan hiilen 14 määrä ja vertaamalla sitä kansainväliseen standardiviitteeseen.
Radiohiilidattauksen vaikutus nykymaailmaan on tehnyt siitä yhden 1900-luvun merkittävimmistä löydöistä. Kasvit ja eläimet imevät hiiltä 14 hiilidioksidista koko elämänsä ajan. Kun he kuolevat, ne lopettavat hiilen vaihdon biosfäärin kanssa, ja niiden hiili-14-pitoisuus alkaa laskea radioaktiivisen hajoamisen lain määräämällä nopeudella.
Radiohiilidataus on pohjimmiltaan menetelmä jäännösradioaktiivisuuden mittaamiseen. Kun tiedät kuinka paljon hiiltä 14 on jäljellä näytteessä, voit selvittääorganismin ikä, kun se kuoli. On syytä huomata, että radiohiiliajennuksen tulokset osoittavat, milloin organismi oli elossa.
Perusmenetelmät radiohiilen mittaamiseen
Hilen 14 mittaamiseen käytetään kolmea päämenetelmää missä tahansa näytteenottimen suhteellisessa laskennassa, nestetuikelaskimessa ja kiihdytinmassaspektrometriassa.
Suhteellinen kaasulaskenta on yleinen radiometrinen päivämäärätekniikka, joka ottaa huomioon tietyn näytteen lähettämät beetahiukkaset. Beetahiukkaset ovat radiohiilen hajoamistuotteita. Tässä menetelmässä hiilinäyte muunnetaan ensin hiilidioksidikaasuksi, ennen kuin se mitataan kaasusuhteellisilla mittareilla.
Tuikenesteen laskenta on toinen 1960-luvulla suosittu radiohiiliajoitusmenetelmä. Tässä menetelmässä näyte on nestemäisessä muodossa ja siihen on lisätty tuike. Tämä tuike luo valon välähdyksen, kun se on vuorovaikutuksessa beetahiukkasen kanssa. Näyteputki johdetaan kahden valovahvistimen väliin ja kun molemmat laitteet havaitsevat valon välähdyksen, suoritetaan laskenta.
Ydintieteen edut
Ydinreaktioiden lakeja käytetään monilla tieteen ja teknologian aloilla, kuten lääketieteessä, energiassa, geologiassa, avaruudessa ja ympäristönsuojelussa. Ydinlääketiede ja radiologia ovat lääketieteellisiä käytäntöjä, joissa käytetään säteilyä tai radioaktiivisuutta diagnosointiin, hoitoon ja ehkäisyyn.sairaudet. Kun radiologia on ollut käytössä lähes vuosisadan ajan, termiä "ydinlääketiede" alettiin käyttää noin 50 vuotta sitten.
Ydinvoima on ollut käytössä vuosikymmeniä, ja se on yksi nopeimmin kasvavista energiavaihtoehdoista maille, jotka etsivät energiavarmuutta ja vähäpäästöisiä energiansäästöratkaisuja.
Arkeologit käyttävät monenlaisia ydinmenetelmiä esineiden iän määrittämiseen. Esineet, kuten Torinon kääröt, Kuolleenmeren kääröt ja Kaarle Suuren kruunu, voidaan päivätä ja todentaa ydintekniikan avulla.
Ydintekniikkaa käytetään maatalousyhteisöissä tautien torjumiseen. Radioaktiivisia lähteitä käytetään laaj alti kaivosteollisuudessa. Niitä käytetään esimerkiksi putkistojen ja hitsien tukoksia rikkomattomassa testauksessa sekä lävistettävän materiaalin tiheyden mittaamisessa.
Ydintieteellä on arvokas rooli auttaessaan meitä ymmärtämään ympäristömme historiaa.
