Nükleer reaksiyon (NR) - bir atomun çekirdeğinin, başka bir atomun çekirdeği ile ezilerek veya birleşerek değiştiği bir süreç. Bu nedenle, en az bir nüklidin diğerine dönüşmesine yol açmalıdır. Bazen, eğer bir çekirdek, herhangi bir nüklidin yapısını değiştirmeden başka bir çekirdek veya parçacık ile etkileşirse, sürece nükleer saçılma denir. Belki de en dikkate değer olanı, yıldızların ve güneşin enerji üretimini etkileyen hafif elementlerin füzyon reaksiyonlarıdır. Kozmik ışınların madde ile etkileşiminde de doğal reaksiyonlar meydana gelir.
Doğal nükleer reaktör
En dikkate değer insan kontrollü reaksiyon, nükleer reaktörlerde meydana gelen fisyon reaksiyonudur. Bunlar bir nükleer zincir reaksiyonunu başlatmak ve kontrol etmek için kullanılan cihazlardır. Ancak sadece yapay reaktörler yoktur. Dünyanın ilk doğal nükleer reaktörü 1972'de Gabon'daki Oklo'da Fransız fizikçi Francis Perrin tarafından keşfedildi.
Bir nükleer reaksiyonun doğal enerjisinin üretilebileceği koşullar 1956'da Paul Kazuo Kuroda tarafından tahmin edildi. bilinen tek yerdünya, bu tür kendi kendine devam eden reaksiyonların meydana geldiği 16 bölgeden oluşur. Bunun yaklaşık 1,7 milyar yıl önce olduğuna ve ksenon izotopları (bir fisyon ürünü gaz) ve değişen oranlarda U-235/U-238 (doğal uranyum zenginleştirmesi) ile kanıtlandığı üzere, birkaç yüz bin yıl boyunca devam ettiğine inanılıyor.
Nükleer fisyon
Bağlanma enerjisi grafiği, kütlesi 130 a.m.u'dan büyük olan nüklitlerin olduğunu gösteriyor. daha hafif ve daha kararlı nüklidler oluşturmak için kendiliğinden birbirinden ayrılmalıdır. Deneysel olarak, bilim adamları, bir nükleer reaksiyonun elementlerinin kendiliğinden fisyon reaksiyonlarının, yalnızca kütle numarası 230 veya daha fazla olan en ağır nüklidler için meydana geldiğini bulmuşlardır. Bu yapılsa bile, çok yavaştır. Örneğin, 238 U'nun kendiliğinden fisyonunun yarı ömrü, 10-16 yıl veya gezegenimizin yaşından yaklaşık iki milyon kat daha uzun! Ağır nüklid örneklerinin yavaş termal nötronlarla ışınlanmasıyla fisyon reaksiyonları başlatılabilir. Örneğin, 235 U bir termal nötronu soğurduğunda, eşit olmayan kütleli iki parçacığa ayrılır ve ortalama 2,5 nötron serbest bırakır.
238 U nötronunun absorpsiyonu, tıpkı bir sıvı damlasının daha küçük damlacıklara dönüşebilmesi gibi, çekirdekte onu parçalara ayrılana kadar deforme eden titreşimlere neden olur. Atom kütleleri 72 ile 161 am.u arasında olan 370'den fazla yavru nüklid. fisyon sırasında iki ürün içeren bir termal nötron 235U tarafından oluşturulur,aşağıda gösterilmiştir.
Uranyum gibi bir nükleer reaksiyonun izotopları indüklenmiş fisyona uğrar. Ancak tek doğal izotop 235 U, sadece %0.72 ile bol miktarda bulunur. Bu izotopun indüklenen fisyonu, atom başına ortalama 200 MeV veya gram başına 235 U'luk 80 milyon kilojul serbest bırakır. Bir enerji kaynağı olarak nükleer fisyonun çekiciliği, bu değer, doğal olduğunda salınan 50 kJ/g ile karşılaştırılarak anlaşılabilir. gaz yanıyor.
İlk nükleer reaktör
İlk yapay nükleer reaktör Enrico Fermi ve iş arkadaşları tarafından Chicago Üniversitesi futbol stadyumu altında inşa edildi ve 2 Aralık 1942'de işletmeye alındı. Birkaç kilovatlık güç üreten bu reaktör, 40 ton uranyum ve uranyum oksitten oluşan bir kübik kafesin etrafına katmanlar halinde yığılmış 385 ton grafit blok yığınından oluşuyordu. Bu reaktörde 238 U veya 235 U'luk kendiliğinden fisyon çok az nötron üretti. Ancak yeterli uranyum vardı, bu nedenle bu nötronlardan biri 235 U çekirdeğinin fisyonunu indükledi, böylece bir zincir reaksiyonunda (nükleer reaksiyonlar) ek 235 U çekirdeğin fisyonunu katalize eden ortalama 2.5 nötron serbest bıraktı.
Bir zincirleme reaksiyonu sürdürmek için gereken bölünebilir malzeme miktarına kritik kütle denir. Yeşil oklar, yeni nötronlar yayan iki fisyon parçasında uranyum çekirdeğinin bölünmesini göstermektedir. Bu nötronlardan bazıları yeni fisyon reaksiyonlarını tetikleyebilir (siyah oklar). Bazınötronlar diğer işlemlerde kaybolabilir (mavi oklar). Kırmızı oklar, radyoaktif fisyon parçalarından daha sonra gelen ve yeni fisyon reaksiyonlarını tetikleyebilen gecikmiş nötronları gösterir.
Nükleer reaksiyonların belirlenmesi
Atom numarası ve atom kütlesi dahil olmak üzere atomların temel özelliklerine bakalım. Atom numarası, bir atomun çekirdeğindeki proton sayısıdır ve izotoplar aynı atom numarasına sahiptir ancak nötron sayıları farklıdır. İlk çekirdekler a ve b ile gösterilirse ve ürün çekirdekleri c ve d ile gösterilirse, reaksiyon aşağıda görebileceğiniz denklem ile temsil edilebilir.
Tam denklemler kullanmak yerine hafif parçacıklar için hangi nükleer reaksiyonlar birbirini götürür? Çoğu durumda, bu tür süreçleri tanımlamak için kompakt form kullanılır: a (b, c) d, a + b'nin c + d'yi üretmesine eşdeğerdir. Hafif parçacıklar genellikle kıs altılır: genellikle p proton, n nötron, d döteron, α alfa veya helyum-4, β beta veya elektron, γ gama foton vb. anlamına gelir.
Nükleer reaksiyon türleri
Bu tür olası reaksiyonların sayısı çok fazla olsa da, türe göre sıralanabilirler. Bu reaksiyonların çoğuna gama radyasyonu eşlik eder. İşte bazı örnekler:
- Elastik saçılma. Hedef çekirdek ile gelen parçacık arasında hiçbir enerji aktarılmadığında gerçekleşir.
- Elastik olmayan saçılma. Enerji aktarıldığında gerçekleşir. Kinetik enerjilerdeki fark, uyarılmış çekirdekte korunur.
- Reaksiyonları yakalayın. hem ücretli hemnötr parçacıklar çekirdekler tarafından yakalanabilir. Buna ɣ-ışınlarının emisyonu eşlik eder. Nötron yakalama reaksiyonundaki nükleer reaksiyon parçacıklarına radyoaktif nüklidler (indüklenmiş radyoaktivite) denir.
- İletim reaksiyonları. Bir veya daha fazla parçacığın emisyonu ile birlikte bir parçacığın absorpsiyonuna transfer reaksiyonu denir.
- Fisyon reaksiyonları. Nükleer fisyon, bir atomun çekirdeğinin daha küçük parçalara (daha hafif çekirdeklere) ayrıldığı bir reaksiyondur. Fisyon süreci genellikle (gama ışınları şeklinde) serbest nötronlar ve fotonlar üretir ve büyük miktarda enerji açığa çıkarır.
- Füzyon reaksiyonları. İki veya daha fazla atom çekirdeği çok yüksek bir hızda çarpıştığında ve yeni bir tür atom çekirdeği oluşturmak için birleştiğinde ortaya çıkar. Döteryum-trityum füzyon nükleer parçacıkları, gelecekte enerji sağlama potansiyelleri nedeniyle özellikle ilgi çekicidir.
- Bölme reaksiyonları. Çekirdeğe, birkaç küçük parçayı dağıtmak veya onu birçok parçaya bölmek için yeterli enerji ve momentuma sahip bir parçacık çarptığında meydana gelir.
- Yeniden düzenleme reaksiyonları. Bu, bir veya daha fazla parçacığın emisyonu ile birlikte bir parçacığın emilmesidir:
- 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
Farklı yeniden düzenleme reaksiyonları, nötron sayısını ve proton sayısını değiştirir.
Nükleer çürüme
Nükleer reaksiyonlar, kararsız bir atom enerjisiniradyasyon. Tek atomlar düzeyinde rastgele bir süreçtir, çünkü kuantum teorisine göre tek bir atomun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkansızdır.
Birçok radyoaktif bozunma türü vardır:
- Alfa radyoaktivite. Alfa parçacıkları, helyum çekirdeğine özdeş bir parçacıkla birbirine bağlı iki proton ve iki nötrondan oluşur. Çok büyük kütlesi ve yükü nedeniyle malzemeyi güçlü bir şekilde iyonize eder ve çok kısa bir menzile sahiptir.
- Beta radyoaktivite. Potasyum-40 gibi belirli radyoaktif çekirdek türlerinden yayılan yüksek enerjili, yüksek hızlı pozitronlar veya elektronlardır. Beta parçacıkları, alfa parçacıklarından daha geniş bir penetrasyon aralığına sahiptir, ancak yine de gama ışınlarından çok daha azdır. Fırlatılan beta parçacıkları, nükleer zincir reaksiyonu beta ışınları olarak da bilinen bir iyonlaştırıcı radyasyon şeklidir. Beta parçacıklarının üretimine beta bozunumu denir.
- Gama radyoaktivitesi. Gama ışınları çok yüksek frekanslı elektromanyetik radyasyondur ve bu nedenle yüksek enerjili fotonlardır. Çekirdekler, yüksek enerjili bir durumdan gama bozunması olarak bilinen daha düşük bir duruma geçerken bozunduğunda oluşurlar. Çoğu nükleer reaksiyona gama radyasyonu eşlik eder.
- Nötron emisyonu. Nötron emisyonu, aşırı nötronlar (özellikle fisyon ürünleri) içeren çekirdeklerin bir tür radyoaktif bozunması olup, burada nötron çekirdekten basitçe çıkarılır. Bu tipradyasyon nükleer reaktörlerin kontrolünde kilit bir rol oynar çünkü bu nötronlar gecikir.
Enerji
Bir nükleer reaksiyonun enerjisinin Q değeri, reaksiyon sırasında salınan veya emilen enerji miktarıdır. Buna enerji dengesi veya reaksiyonun Q değeri denir. Bu enerji, ürünün kinetik enerjisi ile reaktant miktarı arasındaki fark olarak ifade edilir.
Reaksiyonun genel görünümü: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), burada x ve X reaktanlardır ve y ve Y, bir nükleer reaksiyonun enerjisini belirleyebilen reaksiyon ürünüdür, Q ise enerji dengesidir.
Q-değeri NR, bir reaksiyonda salınan veya emilen enerjiyi ifade eder. Doğaya bağlı olarak pozitif veya negatif olabilen NR enerji dengesi olarak da adlandırılır.
Q değeri pozitifse, reaksiyon ekzoerjik olarak da adlandırılan ekzotermik olacaktır. Enerjiyi serbest bırakır. Q değeri negatifse, reaksiyon endoerjik veya endotermiktir. Bu tür reaksiyonlar enerjiyi emerek gerçekleştirilir.
Nükleer fizikte, bu tür reaksiyonlar, ilk reaktanların kütlelerinin toplamı ile nihai ürünlerin arasındaki fark olarak Q değeri ile tanımlanır. Enerji birimleri MeV cinsinden ölçülür. A mermisinin ve A hedefinin iki ürün B ve b verdiği tipik bir reaksiyon düşünün.
Bu şu şekilde ifade edilebilir: a + A → B + B, hatta daha kompakt bir gösterimde - A (a, b) B. Bir nükleer reaksiyondaki enerji türleri ve bu reaksiyonun anlamıformülle belirlenir:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, nihai ürünlerin aşırı kinetik enerjisiyle çakışan:
Q=T son - T başlangıç
Ürünlerin kinetik enerjisinde bir artış olan reaksiyonlar için Q pozitiftir. Pozitif Q reaksiyonlarına ekzotermik (veya ekzojen) denir.
Son durumun kinetik enerjisi başlangıç durumundan daha büyük olduğu için net bir enerji salınımı vardır. Ürünlerin kinetik enerjisinde bir azalmanın gözlemlendiği reaksiyonlar için Q negatiftir.
Yarı ömür
Bir radyoaktif maddenin yarı ömrü karakteristik bir sabittir. Belirli bir miktardaki maddenin bozunma ve dolayısıyla radyasyon yoluyla yarıya indirilmesi için gereken süreyi ölçer.
Arkeologlar ve jeologlar, karbon tarihleme olarak bilinen bir süreçte organik nesnelerde bugüne kadar olan yarı ömrü kullanırlar. Beta bozunması sırasında, karbon 14 azot 14'e dönüştürülür. Ölüm anında organizmalar karbon 14 üretmeyi durdurur. Yarı ömür sabit olduğundan, karbon 14'ün azot 14'e oranı numunenin yaşının bir ölçüsünü sağlar.
Tıp alanında, nükleer reaksiyonların enerji kaynakları, daha sonra cerrahi olarak çıkarılacak tümörleri küçültmek veya ameliyat edilemez durumdaki kanser hücrelerini öldürmek için radyasyon tedavisi için kullanılan Kob alt 60'ın radyoaktif izotoplarıdır.tümörler. Kararlı nikele bozunduğunda, nispeten yüksek iki enerji yayar - gama ışınları. Bugün yerini elektron ışını radyoterapi sistemleri alıyor.
Bazı örneklerden alınan izotop yarılanma ömrü:
- oksijen 16 - sonsuz;
- uranyum 238 - 4.460.000.000 yıl;
- uranyum 235 - 713.000.000 yıl;
- karbon 14 - 5.730 yıl;
- kob alt 60 - 5, 27 yaşında;
- gümüş 94 - 0,42 saniye.
Radyokarbon randevusu
Çok sabit bir oranda, kararsız karbon 14 yavaş yavaş karbon 12'ye bozunur. Bu karbon izotoplarının oranı, Dünya'nın en eski sakinlerinden bazılarının yaşını ortaya çıkarır.
Radyokarbon tarihleme, karbon bazlı malzemelerin yaşının nesnel tahminlerini sağlayan bir yöntemdir. Yaş, bir numunede bulunan karbon 14 miktarını ölçerek ve bunu uluslararası bir standart referansla karşılaştırarak tahmin edilebilir.
Radyokarbon tarihlemesinin modern dünya üzerindeki etkisi, onu 20. yüzyılın en önemli keşiflerinden biri haline getirdi. Bitkiler ve hayvanlar, yaşamları boyunca karbon 14'ü karbondioksitten özümserler. Öldüklerinde, biyosfer ile karbon alışverişini durdururlar ve karbon 14 içerikleri radyoaktif bozunma yasası tarafından belirlenen bir oranda azalmaya başlar.
Radyokarbon tarihleme esasen artık radyoaktiviteyi ölçmek için bir yöntemdir. Numunede ne kadar karbon 14 kaldığını bilerek, öğrenebilirsiniz.organizmanın öldüğü andaki yaşı. Radyokarbon tarihleme sonuçlarının organizmanın ne zaman canlı olduğunu gösterdiğine dikkat edilmelidir.
Radyokarbon ölçümü için temel yöntemler
Verilen herhangi bir örnekleyici orantılı hesaplamasında, sıvı sintilasyon sayacında ve hızlandırıcı kütle spektrometrisinde karbon 14'ü ölçmek için kullanılan üç ana yöntem vardır.
Oransal gaz sayımı, belirli bir numune tarafından yayılan beta parçacıklarını hesaba katan yaygın bir radyometrik tarihleme tekniğidir. Beta parçacıkları radyokarbonun bozunma ürünleridir. Bu yöntemde, karbon numunesi gaz orantılı metrelerde ölçülmeden önce ilk olarak karbondioksit gazına dönüştürülür.
Sintilasyon sıvısı sayımı, 1960'larda popüler olan başka bir radyokarbon tarihleme yöntemidir. Bu yöntemde numune sıvı haldedir ve bir sintilatör eklenir. Bu sintilatör, bir beta parçacığı ile etkileşime girdiğinde bir ışık parlaması oluşturur. Örnek tüpü iki fotoçoğ altıcı arasından geçirilir ve her iki cihaz da bir ışık flaşı kaydettiğinde bir sayım yapılır.
Nükleer Bilimin Faydaları
Nükleer reaksiyon yasaları, tıp, enerji, jeoloji, uzay ve çevre koruma gibi çok çeşitli bilim ve teknoloji dallarında kullanılmaktadır. Nükleer tıp ve radyoloji, teşhis, tedavi ve önleme için radyasyon veya radyoaktivite kullanımını içeren tıbbi uygulamalardır.hastalıklar. Radyoloji neredeyse bir asırdır kullanılırken, "nükleer tıp" terimi yaklaşık 50 yıl önce kullanılmaya başlandı.
Nükleer enerji onlarca yıldır kullanılmaktadır ve enerji güvenliği ve düşük emisyonlu enerji tasarrufu çözümleri arayan ülkeler için en hızlı büyüyen enerji seçeneklerinden biridir.
Arkeologlar nesnelerin yaşını belirlemek için çok çeşitli nükleer yöntemler kullanırlar. Torino Kefeni, Ölü Deniz Parşömenleri ve Şarlman Tacı gibi eserler nükleer teknikler kullanılarak tarihlenebilir ve kimlikleri doğrulanabilir.
Nükleer teknikler, tarım topluluklarında hastalıklarla savaşmak için kullanılır. Radyoaktif kaynaklar madencilik endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, boru hatlarındaki ve kaynaklardaki tıkanıklıkların tahribatsız muayenesinde, delinmiş malzemenin yoğunluğunun ölçülmesinde kullanılırlar.
Nükleer bilim, çevremizin tarihini anlamamıza yardımcı olmada değerli bir rol oynar.
