Nuclear reaction (NR) - isang proseso kung saan nagbabago ang nucleus ng isang atom sa pamamagitan ng pagdurog o pagsasama sa nucleus ng isa pang atom. Kaya, dapat itong humantong sa pagbabago ng hindi bababa sa isang nuclide sa isa pa. Minsan, kung ang isang nucleus ay nakikipag-ugnayan sa isa pang nucleus o particle nang hindi binabago ang katangian ng anumang nuclide, ang proseso ay tinutukoy bilang nuclear scattering. Marahil ang pinaka-kapansin-pansin ay ang mga reaksyon ng pagsasanib ng mga light elements, na nakakaapekto sa produksyon ng enerhiya ng mga bituin at araw. Nagaganap din ang mga natural na reaksyon sa interaksyon ng cosmic rays sa matter.
Natural nuclear reactor
Ang pinakakilalang reaksyon na kinokontrol ng tao ay ang fission reaction na nangyayari sa mga nuclear reactor. Ang mga ito ay mga aparato para sa pagsisimula at pagkontrol ng isang nuclear chain reaction. Ngunit mayroong hindi lamang mga artipisyal na reaktor. Ang unang natural na nuclear reactor sa mundo ay natuklasan noong 1972 sa Oklo sa Gabon ng French physicist na si Francis Perrin.
Ang mga kondisyon kung saan maaaring mabuo ang natural na enerhiya ng isang reaksyong nukleyar ay hinulaan noong 1956 ni Paul Kazuo Kuroda. Ang tanging kilala na lugar saBinubuo ang mundo ng 16 na mga site kung saan naganap ang mga self-sustaining reaksyon ng ganitong uri. Ito ay pinaniniwalaang humigit-kumulang 1.7 bilyong taon na ang nakalilipas at nagpatuloy sa loob ng ilang daang libong taon, gaya ng pinatunayan ng xenon isotopes (isang fission product gas) at iba't ibang ratios ng U-235/U-238 (natural uranium enrichment).
Nuclear fission
Ang nagbubuklod na plot ng enerhiya ay nagmumungkahi na ang mga nuclides na may mass na higit sa 130 a.m.u. dapat kusang humiwalay sa isa't isa upang bumuo ng mas magaan at mas matatag na mga nuclides. Sa eksperimento, natuklasan ng mga siyentipiko na ang mga spontaneous fission reaction ng mga elemento ng isang nuclear reaction ay nangyayari lamang para sa pinakamabibigat na nuclides na may mass number na 230 o higit pa. Kahit na ito ay tapos na, ito ay napakabagal. Ang kalahating buhay para sa spontaneous fission ng 238 U, halimbawa, ay 10-16 taon, o humigit-kumulang dalawang milyong beses na mas mahaba kaysa sa edad ng ating planeta! Ang mga reaksyon ng fission ay maaaring maimpluwensyahan ng pag-iilaw ng mga sample ng mabibigat na nuclides na may mabagal na thermal neutron. Halimbawa, kapag ang 235 U ay sumisipsip ng thermal neutron, ito ay nahahati sa dalawang particle ng hindi pantay na masa at naglalabas ng average na 2.5 neutron.
Ang pagsipsip ng 238 U neutron ay nag-uudyok ng mga panginginig ng boses sa nucleus, na nagpapa-deform nito hanggang sa masira ito sa mga fragment, tulad ng isang patak ng likido na maaaring mabasag sa mas maliliit na droplet. Mahigit sa 370 anak na babae nuclides na may atomic mass sa pagitan ng 72 at 161 a.m.u. ay nabuo sa panahon ng fission ng isang thermal neutron 235U, kabilang ang dalawang produkto,ipinapakita sa ibaba.
Isotopes ng isang nuclear reaction, tulad ng uranium, ay sumasailalim sa induced fission. Ngunit ang tanging natural na isotope 235 U ay naroroon sa kasaganaan sa 0.72% lamang. Ang induced fission ng isotope na ito ay naglalabas ng average na 200 MeV bawat atom, o 80 milyong kilojoules kada gramo ng 235 U. Ang pagkahumaling ng nuclear fission bilang pinagmumulan ng enerhiya ay mauunawaan sa pamamagitan ng paghahambing ng halagang ito sa 50 kJ/g na inilabas kapag natural. nasusunog ang gas.
Unang nuclear reactor
Ang unang artificial nuclear reactor ay itinayo ni Enrico Fermi at mga katrabaho sa ilalim ng University of Chicago football stadium at ipinatupad noong Disyembre 2, 1942. Ang reaktor na ito, na gumawa ng ilang kilowatts ng kapangyarihan, ay binubuo ng isang tumpok ng 385 tonelada ng mga bloke ng grapayt na nakasalansan sa mga layer sa paligid ng isang kubiko sala-sala ng 40 tonelada ng uranium at uranium oxide. Ang kusang fission ng 238 U o 235 U sa reactor na ito ay gumawa ng napakakaunting mga neutron. Ngunit mayroong sapat na uranium, kaya ang isa sa mga neutron na ito ay nag-udyok ng fission ng 235 U nucleus, sa gayon ay naglalabas ng average na 2.5 neutrons, na nag-catalyze sa fission ng karagdagang 235 U nuclei sa isang chain reaction (nuclear reactions).
Ang dami ng fissile na materyal na kinakailangan upang mapanatili ang isang chain reaction ay tinatawag na critical mass. Ang mga berdeng arrow ay nagpapakita ng paghahati ng uranium nucleus sa dalawang fission fragment na naglalabas ng mga bagong neutron. Ang ilan sa mga neutron na ito ay maaaring mag-trigger ng mga bagong reaksyon ng fission (mga itim na arrow). Ilan saang mga neutron ay maaaring mawala sa ibang mga proseso (mga asul na arrow). Ang mga pulang arrow ay nagpapakita ng mga naantalang neutron na darating sa ibang pagkakataon mula sa mga radioactive fission fragment at maaaring mag-trigger ng mga bagong fission reaction.
Pagtatalaga ng mga reaksyong nuklear
Tingnan natin ang mga pangunahing katangian ng mga atom, kabilang ang atomic number at atomic mass. Ang atomic number ay ang bilang ng mga proton sa nucleus ng isang atom, at ang mga isotopes ay may parehong atomic number ngunit naiiba sa bilang ng mga neutron. Kung ang inisyal na nuclei ay may denotasyon na a at b, at ang product nuclei ay nakasaad na c at d, kung gayon ang reaksyon ay maaaring katawanin ng equation na makikita mo sa ibaba.
Aling mga nuclear reaction ang nagkansela para sa mga light particle sa halip na gumamit ng buong equation? Sa maraming sitwasyon, ang compact form ay ginagamit upang ilarawan ang mga ganitong proseso: a (b, c) d ay katumbas ng a + b na gumagawa ng c + d. Ang mga light particle ay madalas na pinaikli: karaniwang p ay nangangahulugang proton, n para sa neutron, d para sa deuteron, α para sa alpha o helium-4, β para sa beta o electron, γ para sa gamma photon, atbp.
Mga uri ng nuclear reaction
Bagaman ang bilang ng mga posibleng ganoong reaksyon ay malaki, maaari silang pagbukud-bukurin ayon sa uri. Karamihan sa mga reaksyong ito ay sinamahan ng gamma radiation. Narito ang ilang halimbawa:
- Elastic na pagkakalat. Nangyayari kapag walang enerhiya na nailipat sa pagitan ng target na nucleus at ng papasok na particle.
- Hindi elastikong pagkakalat. Nangyayari kapag inilipat ang enerhiya. Ang pagkakaiba sa kinetic energies ay pinananatili sa excited na nuclide.
- Kuhanan ng mga reaksyon. parehong sinisingil atang mga neutral na particle ay maaaring makuha ng nuclei. Ito ay sinamahan ng paglabas ng ɣ-ray. Ang mga particle ng nuclear reaction sa neutron capture reaction ay tinatawag na radioactive nuclides (induced radioactivity).
- Mga reaksyon sa paghahatid. Ang pagsipsip ng isang particle, na sinamahan ng paglabas ng isa o higit pang particle, ay tinatawag na transfer reaction.
- Mga reaksyon ng fission. Ang nuclear fission ay isang reaksyon kung saan ang nucleus ng isang atom ay nahahati sa mas maliliit na piraso (mas magaan na nuclei). Ang proseso ng fission ay kadalasang gumagawa ng mga libreng neutron at photon (sa anyo ng mga gamma ray) at naglalabas ng malaking halaga ng enerhiya.
- Mga reaksyon ng pagsasanib. Nangyayari kapag ang dalawa o higit pang atomic nuclei ay nagbanggaan sa napakabilis na bilis at nagsama-sama upang bumuo ng bagong uri ng atomic nucleus. Ang Deuterium-tritium fusion nuclear particle ay partikular na interesado dahil sa kanilang potensyal na magbigay ng enerhiya sa hinaharap.
- Hati-hati na reaksyon. Nangyayari kapag ang nucleus ay tinamaan ng isang particle na may sapat na enerhiya at momentum upang matumba ang ilang maliliit na fragment o masira ito sa maraming fragment.
- Mga reaksyon sa muling pagsasaayos. Ito ang pagsipsip ng isang particle, na sinamahan ng paglabas ng isa o higit pang particle:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Siya (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Ang iba't ibang reaksyon sa muling pagsasaayos ay nagbabago sa bilang ng mga neutron at bilang ng mga proton.
Nuclear decay
Ang mga reaksyong nuklear ay nangyayari kapag ang isang hindi matatag na atom ay nawalan ng enerhiyaradiation. Isa itong random na proseso sa antas ng mga single atom, dahil ayon sa quantum theory imposibleng mahulaan kung kailan mabubulok ang isang indibidwal na atom.
Maraming uri ng radioactive decay:
- Alpha radioactivity. Ang mga particle ng alpha ay binubuo ng dalawang proton at dalawang neutron na pinagsama-sama ng isang particle na kapareho ng isang helium nucleus. Dahil sa napakalaking masa at karga nito, malakas nitong na-ionize ang materyal at may napakaikling saklaw.
- Beta radioactivity. Ito ay high-energy, high-speed positrons, o electron, na ibinubuga mula sa ilang uri ng radioactive nuclei, gaya ng potassium-40. Ang mga beta particle ay may mas malawak na saklaw ng penetration kaysa sa mga alpha particle, ngunit mas mababa pa rin kaysa sa gamma ray. Ang mga ejected beta particle ay isang anyo ng ionizing radiation, na kilala rin bilang nuclear chain reaction beta rays. Ang paggawa ng mga beta particle ay tinatawag na beta decay.
- Gamma radioactivity. Ang gamma rays ay electromagnetic radiation ng napakataas na frequency at samakatuwid ay mga high energy photon. Ang mga ito ay nabuo kapag ang nuclei decay habang sila ay napupunta mula sa isang mataas na enerhiya na estado patungo sa isang mas mababang estado na kilala bilang gamma decay. Karamihan sa mga reaksyong nuklear ay sinamahan ng gamma radiation.
- Neutron emission. Ang paglabas ng neutron ay isang uri ng radioactive decay ng nuclei na naglalaman ng labis na mga neutron (lalo na ang mga produkto ng fission), kung saan ang neutron ay inilalabas lamang mula sa nucleus. Ganitong klaseAng radiation ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa kontrol ng mga nuclear reactor dahil ang mga neutron na ito ay naantala.
Enerhiya
Q-value ng enerhiya ng isang nuclear reaction ay ang dami ng enerhiya na inilabas o na-absorb sa panahon ng reaksyon. Ito ay tinatawag na balanse ng enerhiya, o Q-value ng reaksyon. Ang enerhiyang ito ay ipinahayag bilang pagkakaiba sa pagitan ng kinetic energy ng produkto at ang dami ng reactant.
Pangkalahatang view ng reaksyon: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kung saan ang x at X ay mga reactant, at y at Ang Y ay produkto ng reaksyon, na maaaring matukoy ang enerhiya ng isang reaksyong nukleyar, ang Q ay ang balanse ng enerhiya.
Ang Q-value NR ay tumutukoy sa enerhiya na inilabas o na-absorb sa isang reaksyon. Tinatawag din itong balanse ng enerhiya ng NR, na maaaring maging positibo o negatibo depende sa kalikasan.
Kung positibo ang Q-value, magiging exothermic ang reaksyon, tinatawag ding exoergic. Naglalabas siya ng enerhiya. Kung negatibo ang Q-value, ang reaksyon ay endoergic, o endothermic. Ang ganitong mga reaksyon ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagsipsip ng enerhiya.
Sa nuclear physics, ang mga naturang reaksyon ay tinukoy ng Q-value, bilang pagkakaiba sa pagitan ng kabuuan ng masa ng mga inisyal na reactant at ng mga huling produkto. Ito ay sinusukat sa mga yunit ng enerhiya na MeV. Isaalang-alang ang isang karaniwang reaksyon kung saan ang projectile a at target A ay nagbubunga sa dalawang produkto B at b.
Ito ay maaaring ipahayag tulad nito: a + A → B + B, o kahit na sa isang mas compact na notation - A (a, b) B. Mga uri ng energies sa isang nuclear reaction at ang kahulugan ng reaksyong itotinutukoy ng formula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, na kasabay ng sobrang kinetic energy ng mga huling produkto:
Q=T final - T initial
Para sa mga reaksyon kung saan mayroong pagtaas sa kinetic energy ng mga produkto, ang Q ay positibo. Ang mga positibong reaksyon ng Q ay tinatawag na exothermic (o exogenous).
May net release ng energy, dahil mas malaki ang kinetic energy ng final state kaysa sa initial state. Para sa mga reaksyon kung saan ang pagbaba sa kinetic energy ng mga produkto ay naobserbahan, ang Q ay negatibo.
Half-life
Ang kalahating buhay ng isang radioactive substance ay isang katangian na pare-pareho. Sinusukat nito ang oras na kinakailangan para sa isang partikular na dami ng bagay na mabawasan ng kalahati sa pamamagitan ng pagkabulok at samakatuwid ay radiation.
Ginagamit ng mga arkeologo at geologist ang kalahating buhay hanggang ngayon sa mga organikong bagay sa isang prosesong kilala bilang carbon dating. Sa panahon ng beta decay, ang carbon 14 ay na-convert sa nitrogen 14. Sa oras ng kamatayan, ang mga organismo ay humihinto sa paggawa ng carbon 14. Dahil pare-pareho ang kalahating buhay, ang ratio ng carbon 14 hanggang nitrogen 14 ay nagbibigay ng sukatan ng edad ng sample.
Sa larangang medikal, ang mga pinagmumulan ng enerhiya ng mga reaksyong nuklear ay mga radioactive isotopes ng Cob alt 60, na ginamit para sa radiation therapy upang paliitin ang mga tumor na aalisin sa ibang pagkakataon sa pamamagitan ng operasyon, o upang patayin ang mga selula ng kanser sa hindi maoperahan.mga bukol. Kapag nabulok ito sa stable nickel, naglalabas ito ng dalawang medyo mataas na enerhiya - gamma ray. Ngayon ay pinapalitan na ito ng mga electron beam radiotherapy system.
Isotope half-life mula sa ilang sample:
- oxygen 16 - walang katapusan;
- uranium 238 - 4,460,000,000 taon;
- uranium 235 - 713,000,000 taon;
- carbon 14 - 5,730 taon;
- cob alt 60 - 5, 27 taong gulang;
- pilak 94 - 0.42 segundo.
Radiocarbon dating
Sa napakabilis na bilis, ang hindi matatag na carbon 14 ay unti-unting nabubulok sa carbon 12. Ang ratio ng mga carbon isotopes na ito ay nagpapakita ng edad ng ilan sa mga pinakamatandang naninirahan sa Earth.
Ang Radiocarbon dating ay isang paraan na nagbibigay ng mga layuning pagtatantya ng edad ng mga materyal na nakabatay sa carbon. Maaaring matantya ang edad sa pamamagitan ng pagsukat sa dami ng carbon 14 na nasa isang sample at paghahambing nito sa isang internasyonal na pamantayang sanggunian.
Ang epekto ng radiocarbon dating sa modernong mundo ay ginawa itong isa sa pinakamahalagang pagtuklas noong ika-20 siglo. Ang mga halaman at hayop ay sumisipsip ng carbon 14 mula sa carbon dioxide sa buong buhay nila. Kapag namatay sila, huminto sila sa pagpapalit ng carbon sa biosphere, at ang nilalaman ng carbon 14 nila ay nagsisimulang bumaba sa bilis na tinutukoy ng batas ng radioactive decay.
Ang Radiocarbon dating ay mahalagang paraan para sa pagsukat ng natitirang radioactivity. Ang pag-alam kung gaano karaming carbon 14 ang natitira sa sample, maaari mong malamanang edad ng organismo kung kailan ito namatay. Dapat tandaan na ang mga resulta ng radiocarbon dating ay nagpapakita noong ang organismo ay nabubuhay pa.
Mga pangunahing pamamaraan para sa pagsukat ng radiocarbon
May tatlong pangunahing paraan na ginagamit upang sukatin ang carbon 14 sa anumang ibinigay na sampler proportional na pagkalkula, liquid scintillation counter at accelerator mass spectrometry.
Ang proporsyonal na pagbibilang ng gas ay isang karaniwang radiometric dating technique na isinasaalang-alang ang mga beta particle na ibinubuga ng isang ibinigay na sample. Ang mga beta particle ay mga produkto ng pagkabulok ng radiocarbon. Sa paraang ito, ang sample ng carbon ay kino-convert muna sa carbon dioxide gas bago masukat sa gas proportional meter.
Ang Scintillation fluid counting ay isa pang paraan ng radiocarbon dating na sikat noong 1960s. Sa pamamaraang ito, ang sample ay nasa likidong anyo at isang scintillator ay idinagdag. Ang scintillator na ito ay lumilikha ng isang flash ng liwanag kapag ito ay nakikipag-ugnayan sa isang beta particle. Ang sample tube ay ipinapasa sa pagitan ng dalawang photomultiplier at kapag ang parehong device ay nagrehistro ng isang flash ng ilaw, isang pagbibilang ang gagawin.
Ang Mga Benepisyo ng Nuclear Science
Ang mga batas ng mga reaksyong nuklear ay ginagamit sa malawak na hanay ng mga sangay ng agham at teknolohiya, tulad ng medisina, enerhiya, heolohiya, kalawakan at pangangalaga sa kapaligiran. Ang nuclear medicine at radiology ay mga medikal na kasanayan na kinabibilangan ng paggamit ng radiation o radioactivity para sa diagnosis, paggamot, at pag-iwas.mga sakit. Habang ginagamit ang radiology sa halos isang siglo, ang terminong "nuclear medicine" ay nagsimulang gamitin mga 50 taon na ang nakakaraan.
Nuclear power ay ginagamit sa loob ng ilang dekada at isa ito sa pinakamabilis na lumalagong mga opsyon sa enerhiya para sa mga bansang naghahanap ng seguridad sa enerhiya at mababang emission na mga solusyon sa pagtitipid ng enerhiya.
Ang mga arkeologo ay gumagamit ng malawak na hanay ng mga pamamaraang nuklear upang matukoy ang edad ng mga bagay. Ang mga artifact tulad ng Shroud of Turin, Dead Sea Scrolls at Crown of Charlemagne ay maaaring mapetsahan at mapatotohanan gamit ang mga nuclear technique.
Ang mga nuclear technique ay ginagamit sa mga pamayanang agrikultural upang labanan ang sakit. Ang mga radioactive na mapagkukunan ay malawakang ginagamit sa industriya ng pagmimina. Halimbawa, ginagamit ang mga ito sa hindi mapanirang pagsubok ng mga blockage sa pipelines at welds, sa pagsukat ng density ng punched material.
May mahalagang papel ang nuclear science sa pagtulong sa atin na maunawaan ang kasaysayan ng ating kapaligiran.
