Kodolreakcija (NR) - process, kurā mainās atoma kodols, sasmalcinot vai savienojoties ar cita atoma kodolu. Tādējādi tam ir jānoved pie vismaz viena nuklīda pārvēršanās citā. Dažreiz, ja kodols mijiedarbojas ar citu kodolu vai daļiņu, nemainot neviena nuklīda raksturu, procesu sauc par kodola izkliedi. Iespējams, visievērojamākās ir gaismas elementu saplūšanas reakcijas, kas ietekmē zvaigžņu un saules enerģijas ražošanu. Dabas reakcijas notiek arī kosmisko staru mijiedarbībā ar vielu.
Dabisks kodolreaktors
Ievērojamākā cilvēka kontrolētā reakcija ir skaldīšanas reakcija, kas notiek kodolreaktoros. Tās ir ierīces kodolķēdes reakcijas ierosināšanai un kontrolei. Bet ir ne tikai mākslīgie reaktori. Pasaulē pirmo dabisko kodolreaktoru 1972. gadā Oklo Gabonā atklāja franču fiziķis Frensiss Perins.
Apstākļus, kādos varētu rasties kodolreakcijas dabiskā enerģija, 1956. gadā paredzēja Pols Kazuo Kuroda. Vienīgā zināmā vietapasaule sastāv no 16 vietām, kurās notika šāda veida pašpietiekamas reakcijas. Tiek uzskatīts, ka tas notika pirms aptuveni 1,7 miljardiem gadu un turpinājās vairākus simtus tūkstošu gadu, par ko liecina ksenona izotopi (šķelšanās produkta gāze) un dažādas U-235/U-238 attiecības (dabiskā urāna bagātināšana).
Kodoldalīšanās
Saistošās enerģijas diagramma liecina, ka nuklīdi, kuru masa ir lielāka par 130 a.m.u. vajadzētu spontāni atdalīties vienam no otra, veidojot vieglākus un stabilākus nuklīdus. Eksperimentāli zinātnieki ir atklājuši, ka kodolreakcijas elementu spontānas skaldīšanas reakcijas notiek tikai vissmagākajiem nuklīdiem, kuru masas skaitlis ir 230 vai vairāk. Pat ja tas tiek darīts, tas notiek ļoti lēni. Piemēram, 238 U spontānas skaldīšanas pussabrukšanas periods ir 10–16 gadi jeb aptuveni divi miljoni reižu garāks par mūsu planētas vecumu! Dalīšanās reakcijas var izraisīt, apstarojot smago nuklīdu paraugus ar lēniem termiskiem neitroniem. Piemēram, kad 235 U absorbē termisku neitronu, tas sadalās divās nevienmērīgas masas daļiņās un atbrīvo vidēji 2,5 neitronus.
238 U neitrona absorbcija izraisa vibrācijas kodolā, kas to deformē, līdz tas sadalās fragmentos, tāpat kā šķidruma piliens var saplīst mazākos pilieniņos. Vairāk nekā 370 meitas nuklīdu ar atomu masu no 72 līdz 161 a.m.u. dalīšanās laikā veidojas termiskā neitrona 235U ietekmē, ieskaitot divus produktus,parādīts zemāk.
Kodolreakcijas izotopi, piemēram, urāns, tiek pakļauti inducētai skaldīšanai. Bet vienīgais dabiskais izotops 235 U ir sastopams tikai 0,72% pārpilnībā. Šī izotopa inducētā skaldīšanās rezultātā izdala vidēji 200 MeV uz atomu jeb 80 miljonus kilodžoulu uz gramu 235 U. Kodola skaldīšanas kā enerģijas avota pievilcību var saprast, salīdzinot šo vērtību ar 50 kJ/g, kas izdalās, kad tas ir dabīgs. tiek sadedzināta gāze.
Pirmais kodolreaktors
Pirmo mākslīgo kodolreaktoru uzcēla Enriko Fermi un kolēģi Čikāgas Universitātes futbola stadionā, un tas tika nodots ekspluatācijā 1942. gada 2. decembrī. Šis reaktors, kas saražoja vairākus kilovatus jaudu, sastāvēja no 385 tonnu grafīta bloku kaudzes, kas bija sakrautas slāņos ap 40 tonnu urāna un urāna oksīda kubisko režģi. Spontānā 238 U vai 235 U dalīšanās šajā reaktorā radīja ļoti maz neitronu. Bet urāna bija pietiekami daudz, tāpēc viens no šiem neitroniem izraisīja 235 U kodola skaldīšanu, tādējādi atbrīvojot vidēji 2,5 neitronus, kas ķēdes reakcijā (kodolreakcijās) katalizēja papildu 235 U kodolu sadalīšanos.
Skaldmateriāla daudzumu, kas nepieciešams ķēdes reakcijas uzturēšanai, sauc par kritisko masu. Zaļās bultiņas parāda urāna kodola sadalīšanos divos dalīšanās fragmentos, kas izstaro jaunus neitronus. Daži no šiem neitroniem var izraisīt jaunas skaldīšanas reakcijas (melnas bultiņas). Daži noneitroni var tikt zaudēti citos procesos (zilās bultiņas). Sarkanās bultiņas parāda aizkavētus neitronus, kas vēlāk nonāk no radioaktīviem skaldīšanas fragmentiem un var izraisīt jaunas skaldīšanas reakcijas.
Kodolreakciju apzīmējums
Apskatīsim atomu pamatīpašības, tostarp atomskaitli un atommasu. Atomskaitlis ir protonu skaits atoma kodolā, un izotopiem ir vienāds atomu skaits, bet tie atšķiras ar neitronu skaitu. Ja sākotnējie kodoli ir apzīmēti ar a un b, bet produkta kodoli ir apzīmēti ar c un d, tad reakciju var attēlot ar vienādojumu, ko var redzēt zemāk.
Kuras kodolreakcijas atceļ gaismas daļiņas, nevis izmanto pilnus vienādojumus? Daudzās situācijās šādu procesu aprakstīšanai izmanto kompakto formu: a (b, c) d ir ekvivalents a + b, kas rada c + d. Gaismas daļiņas bieži tiek saīsinātas: parasti p apzīmē protonu, n – neitronu, d – deuteronu, α – alfa vai hēliju-4, β – beta vai elektronu, γ apzīmē gamma fotonu utt.
Kodolreakciju veidi
Lai gan iespējamo šādu reakciju skaits ir milzīgs, tās var sakārtot pēc veida. Lielāko daļu šo reakciju pavada gamma starojums. Šeit ir daži piemēri:
- Elastīga izkliede. Notiek, ja enerģija netiek pārnesta starp mērķa kodolu un ienākošo daļiņu.
- Neelastīga izkliede. Rodas, kad tiek pārnesta enerģija. Kinētiskās enerģijas atšķirības tiek saglabātas ierosinātajā nuklīdā.
- Tveriet reakcijas. gan uzlādēts, ganneitrālas daļiņas var uztvert ar kodoliem. To pavada ɣ-staru emisija. Kodolreakciju daļiņas neitronu uztveršanas reakcijā tiek sauktas par radioaktīvajiem nuklīdiem (inducētā radioaktivitāte).
- Pārraides reakcijas. Daļiņu absorbciju, ko pavada vienas vai vairāku daļiņu emisija, sauc par pārneses reakciju.
- Skaldīšanās reakcijas. Kodola dalīšanās ir reakcija, kurā atoma kodols tiek sadalīts mazākos gabalos (vieglākos kodolos). Dalīšanās process bieži rada brīvus neitronus un fotonus (gamma staru veidā) un atbrīvo lielu daudzumu enerģijas.
- Kodolsintēzes reakcijas. Rodas, kad divi vai vairāki atomu kodoli saduras ļoti lielā ātrumā un apvienojas, veidojot jauna veida atoma kodolu. Deitērija-tritija kodolsintēzes kodoldaļiņas ir īpaši interesantas, jo tās nākotnē var nodrošināt enerģiju.
- Skalda reakcijas. Rodas, ja kodolu ietriec daļiņa ar pietiekami daudz enerģijas un impulsa, lai izsistu dažus mazus fragmentus vai sadalītu to daudzos fragmentos.
- Pārkārtošanās reakcijas. Tā ir daļiņas absorbcija, ko pavada vienas vai vairāku daļiņu emisija:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Viņš (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Dažādas pārkārtošanās reakcijas maina neitronu skaitu un protonu skaitu.
Kodolsabrukšana
Kodolreakcijas notiek, kad nestabils atoms zaudē enerģijustarojums. Tas ir nejaušs process atsevišķu atomu līmenī, jo saskaņā ar kvantu teoriju nav iespējams paredzēt, kad atsevišķs atoms sadalīsies.
Ir daudzi radioaktīvās sabrukšanas veidi:
- Alfa radioaktivitāte. Alfa daļiņas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, kas saistīti kopā ar daļiņu, kas ir identiska hēlija kodolam. Pateicoties tā ļoti lielajai masai un lādiņam, tas spēcīgi jonizē materiālu un ir ļoti mazs darbības rādiuss.
- Beta radioaktivitāte. Tie ir lielas enerģijas, ātrdarbīgi pozitroni vai elektroni, ko izstaro noteikta veida radioaktīvie kodoli, piemēram, kālijs-40. Beta daļiņām ir lielāks iespiešanās diapazons nekā alfa daļiņām, taču tas joprojām ir daudz mazāks nekā gamma stariem. Izmestās beta daļiņas ir jonizējošā starojuma veids, ko sauc arī par kodola ķēdes reakcijas beta stariem. Beta daļiņu veidošanos sauc par beta sabrukšanu.
- Gamma radioaktivitāte. Gamma stari ir ļoti augstas frekvences elektromagnētiskais starojums, un tāpēc tie ir augstas enerģijas fotoni. Tie veidojas, kad kodoli sabrūk, pārejot no augstas enerģijas stāvokļa uz zemāku stāvokli, kas pazīstams kā gamma sabrukšana. Lielāko daļu kodolreakciju pavada gamma starojums.
- Neitronu emisija. Neitronu emisija ir kodolu radioaktīvās sabrukšanas veids, kas satur neitronu pārpalikumu (īpaši skaldīšanas produktus), kurā neitroni vienkārši tiek izmesti no kodola. Šis tipsradiācijai ir galvenā loma kodolreaktoru kontrolē, jo šie neitroni ir aizkavēti.
Enerģija
Kodolreakcijas enerģijas Q vērtība ir reakcijas laikā atbrīvotās vai absorbētās enerģijas daudzums. To sauc par reakcijas enerģijas bilanci jeb Q vērtību. Šo enerģiju izsaka kā starpību starp produkta kinētisko enerģiju un reaģenta daudzumu.
Vispārējs reakcijas skats: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kur x un X ir reaģenti, un y un Y ir reakcijas produkts, kas var noteikt kodolreakcijas enerģiju, Q ir enerģijas bilance.
Q vērtība NR attiecas uz reakcijā atbrīvoto vai absorbēto enerģiju. To sauc arī par NR enerģijas bilanci, kas atkarībā no dabas var būt pozitīva vai negatīva.
Ja Q vērtība ir pozitīva, reakcija būs eksotermiska, ko sauc arī par eksoerģisku. Viņa atbrīvo enerģiju. Ja Q vērtība ir negatīva, reakcija ir endoerģiska vai endotermiska. Šādas reakcijas tiek veiktas, absorbējot enerģiju.
Kodolfizikā šādas reakcijas definē ar Q vērtību kā starpību starp sākotnējo reaģentu un galaproduktu masu summu. To mēra enerģijas vienībās MeV. Apsveriet tipisku reakciju, kurā šāviņš a un mērķis A dod divus produktus B un b.
To var izteikt šādi: a + A → B + B, vai pat kompaktākā apzīmējumā - A (a, b) B. Enerģiju veidi kodolreakcijā un šīs reakcijas nozīmenosaka pēc formulas:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, kas sakrīt ar galaproduktu pārmērīgo kinētisko enerģiju:
Q=T galīgais - T iniciālais
Reakcijām, kurās palielinās produktu kinētiskā enerģija, Q ir pozitīvs. Pozitīvas Q reakcijas sauc par eksotermiskām (vai eksogēnām).
Notiek neto enerģijas izdalīšanās, jo beigu stāvokļa kinētiskā enerģija ir lielāka nekā sākotnējā stāvoklī. Reakcijām, kurās tiek novērota produktu kinētiskās enerģijas samazināšanās, Q ir negatīvs.
Pusperiods
Radioaktīvās vielas pussabrukšanas periods ir raksturīga konstante. Tas mēra laiku, kas nepieciešams, lai noteikts vielas daudzums sabrukšanas un līdz ar to arī starojuma rezultātā samazinātos uz pusi.
Arheologi un ģeologi izmanto organisko objektu līdzšinējo pussabrukšanas periodu procesā, kas pazīstams kā oglekļa datēšana. Beta sabrukšanas laikā ogleklis 14 tiek pārveidots par slāpekli 14. Nāves brīdī organismi pārstāj ražot oglekli 14. Tā kā pussabrukšanas periods ir nemainīgs, oglekļa 14 attiecība pret slāpekli 14 nodrošina parauga vecuma mērauklu.
Medicīnas jomā kodolreakciju enerģijas avoti ir kob alta 60 radioaktīvie izotopi, ko izmantoja staru terapijā, lai samazinātu audzējus, kas vēlāk tiks izņemti ķirurģiski, vai iznīcinātu vēža šūnas nedarbojamās vietās.audzēji. Kad tas sadalās par stabilu niķeli, tas izstaro divas salīdzinoši augstas enerģijas - gamma starus. Mūsdienās to aizstāj elektronu staru staru terapijas sistēmas.
Izotopu pussabrukšanas periods no dažiem paraugiem:
- skābeklis 16 - bezgalīgs;
- urāns 238 - 4 460 000 000 gadi;
- urāns 235 - 713 000 000 gadi;
- ogleklis 14 - 5730 gadi;
- kob alts 60 - 5, 27 gadi;
- sudrabs 94 - 0,42 sekundes.
Radiokarbona iepazīšanās
Ļoti vienmērīgā ātrumā nestabilais ogleklis 14 pakāpeniski sadalās par oglekli 12. Šo oglekļa izotopu attiecība atklāj dažu Zemes vecāko iedzīvotāju vecumu.
Radiooglekļa datēšana ir metode, kas sniedz objektīvus uz oglekli saturošu materiālu vecuma aprēķinus. Vecumu var noteikt, izmērot paraugā esošā oglekļa 14 daudzumu un salīdzinot to ar starptautisko standartu.
Radiooglekļa datēšanas ietekme uz mūsdienu pasauli ir padarījusi to par vienu no nozīmīgākajiem atklājumiem 20. gadsimtā. Augi un dzīvnieki visu mūžu asimilē oglekli 14 no oglekļa dioksīda. Kad tie nomirst, tie pārtrauc oglekļa apmaiņu ar biosfēru, un to oglekļa 14 saturs sāk samazināties ar ātrumu, ko nosaka radioaktīvās sabrukšanas likums.
Radiooglekļa datēšana būtībā ir atlikušās radioaktivitātes mērīšanas metode. Zinot, cik daudz oglekļa 14 ir palicis paraugā, jūs varat uzzinātorganisma vecums, kad tas nomira. Jāpiebilst, ka radiooglekļa datēšanas rezultāti parāda, kad organisms bija dzīvs.
Pamatmetodes radiooglekļa mērīšanai
Oglekļa 14 mērīšanai izmanto trīs galvenās metodes, veicot proporcionālo paraugu ņemšanas aprēķinu, šķidruma scintilācijas skaitītāju un akseleratora masas spektrometriju.
Proporcionālā gāzu skaitīšana ir izplatīta radiometriskā datēšanas metode, kurā tiek ņemtas vērā konkrētā parauga emitētās beta daļiņas. Beta daļiņas ir radiooglekļa sabrukšanas produkti. Izmantojot šo metodi, oglekļa paraugu vispirms pārvērš oglekļa dioksīda gāzē un pēc tam mēra gāzes proporcionālajos skaitītājos.
Scintilācijas šķidruma skaitīšana ir vēl viena radiooglekļa datēšanas metode, kas bija populāra 1960. gados. Izmantojot šo metodi, paraugs ir šķidrā veidā un tam ir pievienots scintilators. Šis scintilators, mijiedarbojoties ar beta daļiņu, rada gaismas zibspuldzi. Parauga caurule tiek nodota starp diviem fotopavairotājiem, un, kad abas ierīces reģistrē gaismas uzplaiksnījumu, tiek veikta skaitīšana.
Kodolzinātnes priekšrocības
Kodolreakciju likumi tiek izmantoti daudzās zinātnes un tehnoloģiju nozarēs, piemēram, medicīnā, enerģētikā, ģeoloģijā, kosmosā un vides aizsardzībā. Kodolmedicīna un radioloģija ir medicīnas prakse, kas ietver radiācijas vai radioaktivitātes izmantošanu diagnostikai, ārstēšanai un profilaksei.slimības. Lai gan radioloģija ir izmantota gandrīz gadsimtu, terminu "kodolmedicīna" sāka lietot apmēram pirms 50 gadiem.
Kodolenerģija ir izmantota gadu desmitiem, un tā ir viena no visstraujāk augošajām enerģijas iespējām valstīs, kuras meklē energoapgādes drošību un zemas emisijas enerģijas taupīšanas risinājumus.
Arheologi izmanto plašu kodolmetožu klāstu, lai noteiktu objektu vecumu. Tādus artefaktus kā Turīnas vants, Nāves jūras tīstokļi un Kārļa Lielā kronis var datēt un autentificēt, izmantojot kodoltehniku.
Kodoltehniķi tiek izmantoti lauksaimniecības kopienās, lai cīnītos pret slimībām. Radioaktīvos avotus plaši izmanto ieguves rūpniecībā. Piemēram, tos izmanto cauruļvadu un metināto šuvju aizsprostojumu nesagraujošai pārbaudei, caurumota materiāla blīvuma mērīšanai.
Kodolzinātnei ir vērtīga loma, palīdzot mums izprast mūsu vides vēsturi.
