Ядерные реакции: виды, законы

Ядерная реакция (ЯР) - процесс, в котором ядро атома изменяется путем дробления или соединения с ядром другого атома. Таким образом, она должна приводить к превращению по меньшей мере одного нуклида в другой. Иногда, если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей без изменения природы какого-либо нуклида, процесс относится к ядерному рассеянию. Пожалуй, наиболее заметными являются реакции ядерного синтеза легких элементов, которые влияют на производство энергии звезд и Солнца. Естественные реакции происходят также во взаимодействии космических лучей с веществом.

Природный ядерный реактор

Наиболее заметной контролируемой человеком реакцией является реакция деления, которая происходит в ядерных реакторах. Это устройства для инициирования и контроля ядерной цепной реакции. Но существуют не только искусственные реакторы. Первый природный ядерный реактор в мире был обнаружен в 1972 году в Окло в Габоне французским физиком Фрэнсисом Перрином.

Условия, в которых могла вырабатываться природная энергия ядерной реакции, были предсказаны в 1956 году Полом Кадзуо Курода. Единственное известное место в мире состоит из 16 участков, в которых происходили самоподдерживающиеся реакции подобного типа. Как полагают, это было приблизительно 1,7 миллиарда лет назад и продолжалось в течение нескольких сотен тысяч лет, что было подтверждено наличием изотопов ксенона (газообразного продукта деления) и различным отношением U-235/U-238 (обогащение природного урана).

Ядерное деление

График энергии связи предполагает, что нуклиды с массой больше 130 а.е.м. должны спонтанно отделиться друг от друга, чтобы сформировать более легкие и стабильные нуклиды. Экспериментально ученые установили, что спонтанные реакции деления элементов ядерной реакции происходят только для самых тяжелых нуклидов с массовым числом 230 или более. Даже если это осуществляется, то очень медленно. Период полураспада для спонтанного деления 238 U, например, составляет 10-16 лет, или примерно в два миллиона раз дольше, чем возраст нашей планеты! Облучением образцов тяжелых нуклидов медленными тепловыми нейтронами можно индуцировать реакции деления. Например, когда 235 U поглощает тепловой нейтрон, он разбивается на две частицы с неравномерной массой и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона.

Поглощение нейтрона 238 U индуцирует колебания в ядре, которые деформируют его до тех пор, пока он не расколется на фрагменты так, как капля жидкости может разлететься на более мелкие капельки. Более чем 370 дочерних нуклидов с атомными массами между 72 и 161 а.е.м. образуются при делении на тепловом нейтроне 235U, включая два продукта, показанных ниже.

Изотопы ядерной реакции, такие как уран, подвергаются индуцированному делению. Но единственный природный изотоп 235 U присутствует в изобилии всего 0,72 %. Индуцированное деление этого изотопа высвобождает в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов килоджоулей на грамм 235 U. Притяжение ядерного деления как источника энергии можно понять, сравнивая это значение с 50 кДж/г, высвобождающимися, когда сжигается природный газ.

Первый ядерный реактор

Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и сотрудниками под футбольным стадионом Университета Чикаго, ввели его в эксплуатацию 2 декабря 1942 года. Этот реактор, который производил несколько киловатт энергии, состоял из кучи графитовых блоков весом 385 тонн, уложенных слоями вокруг кубической решетки из 40 тонн урана и оксида урана. Спонтанное деление 238 U или 235 U в этом реакторе вызывало очень малое количество нейтронов. Но достаточно было урана, так что один из этих нейтронов индуцировал деление ядра 235 U, тем самым высвободив в среднем 2,5 нейтрона, которые катализировали деление дополнительных ядер 235 U в цепной реакции (ядерные реакции).

Количество расщепляющегося материала, необходимого для поддержания цепной реакции, называется критической массой. Зеленые стрелки показывают раскол ядра урана в двух осколках деления, испускающих новые нейтроны. Некоторые из этих нейтронов могут вызывать новые реакции деления (черные стрелки). Некоторые из нейтронов могут быть потеряны в других процессах (синие стрелки). Красные стрелки показывают задержанные нейтроны, которые поступают позже из радиоактивных осколков деления и могут вызывать новые реакции деления.

Обозначение ядерных реакций

Рассмотрим основные свойства атомов, включая атомное число и атомную массу. Атомный номер представляет собой число протонов в ядре атома, а изотопы имеют одинаковый атомный номер, но различаются по числу нейтронов. Если начальные ядра обозначаются а и b, а ядра произведения обозначаются с и d, то реакция может быть представлена уравнением, которое вы можете видеть ниже.

Какие ядерные реакции вместо использования полных уравнений сокращаются для легких частиц? Во многих ситуациях для описания таких процессов используется компактная форма: a (b, c) d эквивалентно a + b, производящему c + d. Легкие частицы часто сокращаются: обычно p означает протон, n - нейтрон, d - дейтрон, α - альфа-частицу, или гелий-4, β - бета-частицу, или электрон, γ - гамма-фотон и т. д.

Виды ядерных реакций

Хотя число возможных таких реакций огромно, их можно сортировать по типам. Большая часть таких реакций сопровождается гамма-излучением. Вот некоторые примеры:

1. Упругое рассеяние. Происходит, когда энергия между ядром-мишенью и падающей частицей не передается.
2. Неупругое рассеяние. Происходит, когда энергия передается. Разность кинетических энергий сохраняется в возбужденном нуклиде.
3. Реакции захвата. Как заряженные, так и нейтральные частицы могут захватываться ядрами. Это сопровождается излучением ɣ-лучей. Частицы ядерных реакций при реакции нейтронного захвата называются радиоактивными нуклидами (индуцированная радиоактивность).
4. Реакции передачи. Поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц, называется реакцией переноса.
5. Реакции деления. Ядерное деление является реакцией, в которой ядро атома расщепляется на более мелкие части (более легкие ядра). Процесс деления часто приводит к образованию свободных нейтронов и фотонов (в виде гамма-лучей) и высвобождает большое количество энергии.
6. Реакции слияния. Происходят, когда два или более атомных ядра сталкиваются с очень высокой скоростью и объединяются, образуя новый тип атомного ядра. Частицы ядерных реакций слияния дейтерия и трития особенно интересны из-за их потенциала обеспечения энергии в будущем.
7. Реакции расщепления. Происходят, когда ядро поражается частицей с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько мелких фрагментов или разбить ее на многие фрагменты.
8. Реакции перегруппировки. Это поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц:

• 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

Различные реакции перегруппировки меняют количество нейтронов и число протонов.

Ядерный распад

Ядерные реакции происходят, когда нестабильный атом теряет энергию за счет излучения. Он является случайным процессом на уровне одиночных атомов, поскольку в соответствии с квантовой теорией невозможно предсказать, когда отдельный атом будет распадаться.

Существует много видов радиоактивного распада:

1. Альфа-радиоактивность. Частицы Alpha состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе с частицей, идентичной ядру гелия. Из-за очень большой массы и ее заряда он сильно ионизирует материал и имеет очень короткий диапазон.
2. Бета-радиоактивность. Она представляет собой высокоэнергетические высокоскоростные позитроны или электроны, излучаемые некоторыми типами радиоактивных ядер, таких как калий-40. Бета-частицы имеют больший диапазон проникновения, чем альфа-частицы, но все же намного меньше, чем гамма-лучи. Выброшенные бета-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, также известного как бета-лучи цепной ядерной реакции. Получение бета-частиц называется бета-распадом.
3. Гамма-радиоактивность. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение очень высокой частоты и, следовательно, являются фотонами высокой энергии. Они образуются при распаде ядер при их переходе из состояния высокой энергии в более низкое состояние, известное как гамма-распад. Большая часть ядерных реакций сопровождается гамма-излучением.
4. Нейтронная эмиссия. Нейтронная эмиссия представляет собой тип радиоактивного распада ядер, содержащих избыточные нейтроны (особенно продукты деления), в которых нейтрон просто выбрасывается из ядра. Этот тип излучения играет ключевую роль в управлении ядерными реакторами, потому что эти нейтроны являются задержанными.

Энергетика

Q-значение энергии ядерной реакции - это количество энергии, выделяемой или поглощенной во время реакции. Называется энергетическим балансом, или Q-значением реакции. Эта энергия выражается как разница между кинетической энергией продукта и величиной реагента.

Общий вид реакции: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), где x и X являются реагентами, а y и Y - продуктом реакции, которые могут определить энергию ядерной реакции, Q - энергетический баланс.

Q-значение ЯР означает энергию, высвобождаемую или поглощенную в реакции. Она также называется энергетическим балансом ЯР, который может быть положительным или отрицательным в зависимости от характера.

Если Q-значение положительно, реакция будет экзотермической, ее также называют экзоэргической. Она высвобождает энергию. Если Q-значение отрицательно, реакция является эндоэргической, или эндотермической. Такие реакции осуществляются за счет поглощения энергии.

В ядерной физике подобные реакции определяются Q-значением, как разность между суммой масс исходных реагентов и конечных продуктов. Измеряется в энергетических единицах МэВ. Рассмотрим типичную реакцию, в которой снаряд a и цель A уступают двум продуктам B и b.

Это может быть выражено так: а + A → B + B , или даже в более компактной записи - А (а, б) B. Виды энергий в ядерной реакции и значение этой реакции определяется по формуле:

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

что совпадает с избыточной кинетической энергией конечных продуктов:

Q = T final - T начальный

Для реакций, в которых наблюдается увеличение кинетической энергии продуктов, Q - положительно. Положительные Q-реакции называются экзотермическими (или экзогенными).

Существует чистое выделение энергии, так как кинетическая энергия конечного состояния больше, чем в начальном состоянии. Для реакций, в которых наблюдается уменьшение кинетической энергии продуктов, Q - отрицательно.

Период полураспада

Период полураспада радиоактивного вещества является характерной константой. Он измеряет время, необходимое для того, чтобы определенное количество вещества уменьшилось наполовину вследствие распада и, следовательно, излучения.

Археологи и геологи используют период полураспада до настоящего времени в отношении органических объектов в процессе, известном как датирование углерода. Во время бета-распада углерод 14 превращается в азот 14. Во время смерти организмы перестают производить углерод 14. Поскольку период полураспада является постоянным, отношение углерода 14 к азоту 14 обеспечивает измерение возраста образца.

В медицинской области источниками энергии ядерных реакций являются радиоактивные изотопы Кобальта 60, который использовался для лучевой терапии по сокращению опухолей, которые впоследствии будут удалены хирургическим путем, или для уничтожения раковых клеток в неоперабельных опухолях. Когда он распадается на стабильный никель, то испускает две относительно высоких энергии - гамма-излучения. Сегодня он заменяется системами лучевой терапии электронным пучком.

Период полураспада изотопов от некоторых образцов:

• кислород 16 - бесконечный;
• уран 238 - 4 460 000 000 лет;
• уран 235 - 713 000 000 лет;
• углерод 14 - 5 730 лет;
• кобальт 60 - 5,27 года;
• серебро 94 - 0,42 секунды.

Радиоуглеродное датирование

При очень устойчивой скорости неустойчивый углерод 14 постепенно распадается на углерод 12. Соотношение этих изотопов углерода показывает возраст некоторых самых старых жителей Земли.

Радиоуглеродное датирование - это метод, который обеспечивает объективные оценки возраста материалов на основе углерода. Возраст можно оценить, измеряя количество углерода 14, присутствующего в образце, и сравнивая его с международным стандартным эталоном.

Влияние метода радиоуглеродного датирования в современном мире сделало его одним из самых значительных открытий XX века. Растения и животные ассимилируют углерод 14 из углекислого газа на протяжении всей жизни. Когда они умирают, то перестают обменивать углерод с биосферой, а содержание углерода 14 в них начинает снижаться со скоростью, определяемой законом радиоактивного распада.

Радиоуглеродное датирование - по существу метод, предназначенный для измерения остаточной радиоактивности. Зная, сколько углерода 14 осталось в образце, можно узнать возраст организма, когда он умер. Следует отметить, что результаты радиоуглеродного датирования показывают, когда организм был жив.

Основные методы измерения радиоуглерода

Существуют три основных метода, используемых для измерения содержания углерода 14 в любом заданном пропорциональном расчете пробоотборника, жидком сцинтилляционном счетчике и масс-спектрометрии ускорителя.

Пропорциональный счет газа представляет собой обычную радиометрическую методику датирования, которая учитывает бета-частицы, испускаемые данным образцом. Бета-частицы являются продуктами распада радиоуглерода. В этом методе образец углерода сначала преобразуется в газообразный диоксид углерода перед измерением в газовых пропорциональных счетчиках.

Сцинтилляционный подсчет жидкостей - еще один метод радиоуглеродного датирования, который был популярен в 1960-х годах. В этом методе образец находится в жидкой форме, и добавляется сцинтиллятор. Этот сцинтиллятор создает вспышку света, когда он взаимодействует с бета-частицей. Пробирку с образцом пропускают между двумя фотоумножителями, и когда оба устройства регистрируют вспышку света, производится подсчет.

Преимущества ядерной науки

Законы ядерных реакций используют в широком диапазоне отраслей науки и техники, таких как медицина, энергетика, геология, космос и защита окружающей среды. Ядерная медицина и радиология - это медицинские методы, которые включают использование радиации или радиоактивности для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. В то время как радиология использовалась почти столетие, термин «ядерная медицина» начал применяться около 50 лет назад.

Ядерная энергия используется в течение десятилетий и является одним из самых быстрорастущих энергетических вариантов для стран, стремящихся к энергетической безопасности и энергосберегающим решениям с низким уровнем выбросов.

Археологи используют широкий спектр ядерных методов для определения возраста предметов. Артефакты, такие как Туринская плащаница, Свитки Мертвого моря и Корона Карла Великого, могут быть датированы, и их подлинность проверена с использованием ядерных методов.

Ядерные методы используются в сельскохозяйственных сообществах для борьбы с болезнями. Радиоактивные источники широко применяются в горнодобывающей промышленности. Например, они используются при неразрушающих испытаниях закупорки трубопроводов и сварных швов, в измерении плотности пробиваемого материала.

Ядерная наука играет ценную роль, помогая нам понять историю нашей окружающей среды.