Tuumareaktsioon (NR) – protsess, mille käigus aatomi tuum muutub purustades või ühinedes teise aatomi tuumaga. Seega peab see viima vähem alt ühe nukliidi muutumiseni teiseks. Mõnikord, kui tuum interakteerub teise tuuma või osakesega ilma ühegi nukliidi olemust muutmata, nimetatakse seda protsessi tuuma hajumiseks. Kõige tähelepanuväärsemad on ehk valguselementide ühinemisreaktsioonid, mis mõjutavad tähtede ja päikese energiatootmist. Looduslikud reaktsioonid toimuvad ka kosmiliste kiirte vastasmõjus ainega.
Looduslik tuumareaktor
Kõige tähelepanuväärsem inimese juhitav reaktsioon on tuumareaktorites toimuv lõhustumisreaktsioon. Need on seadmed tuuma ahelreaktsiooni käivitamiseks ja juhtimiseks. Kuid seal pole ainult kunstlikud reaktorid. Prantsuse füüsik Francis Perrin avastas 1972. aastal Gabonis Oklost maailma esimese loodusliku tuumareaktori.
Tuumareaktsiooni loomuliku energia tekkimise tingimused ennustas 1956. aastal Paul Kazuo Kuroda. Ainus teadaolev kohtmaailm koosneb 16 kohast, kus seda tüüpi isemajandavad reaktsioonid toimusid. Arvatakse, et see oli umbes 1,7 miljardit aastat tagasi ja kestis mitusada tuhat aastat, mida tõendavad ksenooni isotoobid (lõhustumissaadusgaas) ja U-235/U-238 (loodusliku uraani rikastamine) erinevad suhted.
Tuuma lõhustumine
Sidumise energia diagramm viitab sellele, et nukliidid massiga üle 130 a.m.u. peaksid üksteisest spontaanselt eralduma, moodustades kergemaid ja stabiilsemaid nukliide. Eksperimentaalselt on teadlased leidnud, et tuumareaktsiooni elementide spontaansed lõhustumise reaktsioonid toimuvad ainult kõige raskemate nukliidide puhul, mille massiarv on 230 või rohkem. Isegi kui seda tehakse, on see väga aeglane. Näiteks 238 U spontaanse lõhustumise poolestusaeg on 10–16 aastat ehk umbes kaks miljonit korda pikem kui meie planeedi vanus! Lõhustumisreaktsioone saab esile kutsuda raskete nukliidide proovide kiiritamisel aeglaste termiliste neutronitega. Näiteks kui 235 U neelab termilise neutroni, laguneb see kaheks ebaühtlase massiga osakeseks ja vabastab keskmiselt 2,5 neutronit.
Neutroni 238 U neeldumine kutsub tuumas esile vibratsiooni, mis deformeerib seda, kuni see puruneb kildudeks, nii nagu vedelikutilk võib puruneda väiksemateks tilkadeks. Rohkem kui 370 tütarnukliidi aatommassiga 72–161 a.m.u. tekivad lõhustumise käigus termilise neutroni 235U poolt, sealhulgas kaks toodet,näidatud allpool.
Tuumareaktsiooni isotoobid, nagu uraan, läbivad indutseeritud lõhustumise. Kuid ainsat looduslikku isotoopi 235 U leidub arvukuses vaid 0,72%. Selle isotoobi indutseeritud lõhustumisel vabaneb keskmiselt 200 MeV aatomi kohta ehk 80 miljonit kilodžauli 235 U grammi kohta. Tuuma lõhustumise kui energiaallika ligitõmbavust saab mõista, kui võrrelda seda väärtust 50 kJ/g, mis vabaneb looduslikult. gaas põleb.
Esimene tuumareaktor
Esimese kunstliku tuumareaktori ehitas Enrico Fermi ja kaastöötajad Chicago ülikooli jalgpallistaadioni all ja see pandi tööle 2. detsembril 1942. aastal. See mitu kilovatti võimsust tootnud reaktor koosnes kuhjast 385 tonni grafiidiplokke, mis olid virnastatud kihtidena ümber 40 tonni uraani ja uraanoksiidi kuupvõre. 238 U või 235 U spontaanne lõhustumine selles reaktoris andis väga vähe neutroneid. Kuid uraani oli piisav alt, nii et üks neist neutronitest kutsus esile 235 U tuuma lõhustumise, vabastades seeläbi keskmiselt 2,5 neutronit, mis katalüüsis ahelreaktsioonis (tuumareaktsioonides) täiendavate 235 U tuumade lõhustumist.
Ahelreaktsiooni püsimiseks vajalikku lõhustuva materjali kogust nimetatakse kriitiliseks massiks. Rohelised nooled näitavad uraani tuuma lõhenemist kaheks lõhustumisfragmendiks, mis kiirgavad uusi neutroneid. Mõned neist neutronitest võivad vallandada uusi lõhustumisreaktsioone (mustad nooled). Mõnedneutronid võivad teistes protsessides kaduda (sinised nooled). Punased nooled näitavad hilinenud neutroneid, mis saabuvad hiljem radioaktiivsetest lõhustumisfragmentidest ja võivad vallandada uusi lõhustumisreaktsioone.
Tuumareaktsioonide tähistus
Vaatame aatomite põhiomadusi, sealhulgas aatomarvu ja aatommassi. Aatomarv on prootonite arv aatomi tuumas ja isotoopide aatomnumber on sama, kuid need erinevad neutronite arvu poolest. Kui esialgsed tuumad on tähistatud a ja b ning produkti tuumad on tähistatud c ja d, siis saab reaktsiooni esitada võrrandiga, mida näete allpool.
Millised tuumareaktsioonid tühistavad kergete osakeste puhul täisvõrrandi kasutamise? Paljudes olukordades kasutatakse selliste protsesside kirjeldamiseks kompaktset vormi: a (b, c) d on samaväärne a + b-ga, mis annab c + d. Valgusosakesi lühendatakse sageli: tavaliselt p tähistab prootonit, n neutronit, d deuteroni, α alfa või heelium-4, β beeta või elektroni, γ gamma footonit jne.
Tuumareaktsioonide tüübid
Kuigi võimalike selliste reaktsioonide arv on tohutu, saab neid sorteerida tüübi järgi. Enamiku nende reaktsioonidega kaasneb gammakiirgus. Siin on mõned näited:
- Elastne hajumine. Tekib siis, kui sihttuuma ja sissetuleva osakese vahel energiat ei kanta.
- Elastne hajumine. Tekib energia ülekandmisel. Kineetiliste energiate erinevus ergastatud nukliidis säilib.
- Jäädvustage reaktsioone. nii laetud kuineutraalseid osakesi saab kinni püüda tuumad. Sellega kaasneb ɣ-kiirte emissioon. Tuumareaktsioonide osakesi neutronite püüdmise reaktsioonis nimetatakse radioaktiivseteks nukliidideks (indutseeritud radioaktiivsus).
- Edastusreaktsioonid. Osakese neeldumist, millega kaasneb ühe või mitme osakese eraldumine, nimetatakse ülekandereaktsiooniks.
- Lõhustumisreaktsioonid. Tuuma lõhustumine on reaktsioon, mille käigus aatomi tuum jaguneb väiksemateks tükkideks (kergemateks tuumadeks). Lõhustumisprotsess tekitab sageli vabu neutroneid ja footoneid (gammakiirguse kujul) ning vabastab suures koguses energiat.
- Fusioonreaktsioonid. Tekib siis, kui kaks või enam aatomituuma põrkuvad kokku väga suure kiirusega ja ühinevad, moodustades uut tüüpi aatomituuma. Deuteeriumi-triitiumi termotuumaosakesed pakuvad erilist huvi nende potentsiaali tõttu pakkuda tulevikus energiat.
- Reaktsioonide lõhenemine. Tekib siis, kui tuuma tabab osake, millel on piisav alt energiat ja hoogu, et mõne väikese killu välja lüüa või paljudeks kildudeks purustada.
- Ümberkorraldusreaktsioonid. See on osakese neeldumine, millega kaasneb ühe või mitme osakese eraldumine:
- 197Au (p, d) 196 mAu
- 4Ta (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Erinevad ümberkorraldusreaktsioonid muudavad neutronite ja prootonite arvu.
Tuumalagunemine
Tuumareaktsioonid tekivad siis, kui ebastabiilne aatom kaotab energiatkiirgust. See on juhuslik protsess üksikute aatomite tasemel, kuna kvantteooria järgi on võimatu ennustada, millal üksik aatom laguneb.
Radioaktiivset lagunemist on mitut tüüpi:
- Alfa radioaktiivsus. Alfaosakesed koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist, mis on omavahel seotud heeliumi tuumaga identse osakesega. Tänu oma väga suurele massile ja laengule ioniseerib see materjali tugev alt ja selle ulatus on väga lühike.
- Beeta radioaktiivsus. Need on suure energiaga kiired positronid või elektronid, mida kiirgavad teatud tüüpi radioaktiivsed tuumad, näiteks kaalium-40. Beetaosakeste läbitungimisulatus on suurem kui alfaosakestel, kuid siiski palju väiksem kui gammakiirtel. Väljapaisatud beetaosakesed on ioniseeriva kiirguse vorm, mida tuntakse ka tuuma ahelreaktsiooni beetakiirtena. Beetaosakeste tootmist nimetatakse beeta-lagunemiseks.
- Gamma radioaktiivsus. Gammakiired on väga kõrge sagedusega elektromagnetkiirgus ja seetõttu kõrge energiaga footonid. Need tekivad tuumade lagunemisel, kui nad lähevad kõrge energiaga olekust madalamasse olekusse, mida nimetatakse gamma lagunemiseks. Enamiku tuumareaktsioonidega kaasneb gammakiirgus.
- Neutronite emissioon. Neutronite emissioon on neutronite (eriti lõhustumisproduktide) ülejäägi sisaldavate tuumade radioaktiivne lagunemine, mille käigus neutron lihts alt tuumast välja paiskub. Seda tüüpikiirgus mängib tuumareaktorite juhtimisel võtmerolli, kuna need neutronid on hilinenud.
Energia
Tuumareaktsiooni energia Q-väärtus on reaktsiooni käigus vabanenud või neeldunud energia hulk. Seda nimetatakse reaktsiooni energiabilansiks või Q-väärtuseks. Seda energiat väljendatakse toote kineetilise energia ja reagendi koguse erinevusena.
Reaktsiooni üldvaade: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kus x ja X on reagendid ning y ja Y on reaktsiooniprodukt, mis võib määrata tuumareaktsiooni energia, Q on energiabilanss.
Q-väärtus NR viitab reaktsioonis vabanenud või neeldunud energiale. Seda nimetatakse ka NR energiabilansiks, mis võib olenev alt olemusest olla positiivne või negatiivne.
Kui Q-väärtus on positiivne, on reaktsioon eksotermiline, mida nimetatakse ka eksoergiliseks. Ta vabastab energiat. Kui Q-väärtus on negatiivne, on reaktsioon endoergiline või endotermiline. Sellised reaktsioonid toimuvad energia neelamisel.
Tuumafüüsikas määratletakse sellised reaktsioonid Q-väärtusega, mis on erinevus algsete reaktiivide ja lõppsaaduste masside summa vahel. Seda mõõdetakse energiaühikutes MeV. Mõelge tüüpilisele reaktsioonile, mille käigus mürsk a ja sihtmärk A annavad kaks produkti B ja b.
Seda saab väljendada järgmiselt: a + A → B + B või isegi kompaktsemas tähises - A (a, b) B. Energiate liigid tuumareaktsioonis ja selle reaktsiooni tähendusmääratakse järgmise valemiga:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, mis langeb kokku lõpptoodete liigse kineetilise energiaga:
Q=T lõpp – T esialgne
Reaktsioonide puhul, kus toodete kineetiline energia suureneb, on Q positiivne. Positiivseid Q reaktsioone nimetatakse eksotermilisteks (või eksogeenseteks).
Toimub energia netovabanemine, kuna lõppoleku kineetiline energia on suurem kui algolekus. Reaktsioonide puhul, mille käigus täheldatakse toodete kineetilise energia vähenemist, on Q negatiivne.
Poolväärtusaeg
Radioaktiivse aine poolestusaeg on iseloomulik konstant. See mõõdab aega, mis kulub teatud ainekoguse vähenemiseks poole võrra lagunemise ja seega ka kiirguse tõttu.
Arheoloogid ja geoloogid kasutavad orgaaniliste objektide senist poolestusaega protsessis, mida nimetatakse süsiniku dateerimiseks. Beetalagunemise käigus muudetakse süsinik 14 lämmastikuks 14. Surma hetkel lõpetavad organismid süsiniku 14 tootmise. Kuna poolväärtusaeg on konstantne, annab proovi vanuse mõõtmise süsiniku 14 ja lämmastiku 14 suhe.
Meditsiinivaldkonnas on tuumareaktsioonide energiaallikateks Cob alt 60 radioaktiivsed isotoobid, mida on kasutatud kiiritusravis kasvajate vähendamiseks, mis hiljem kirurgiliselt eemaldatakse, või vähirakkude hävitamiseks kasutuskõlbmatutes rakkudes.kasvajad. Kui see laguneb stabiilseks nikliks, kiirgab see kaks suhteliselt kõrget energiat – gammakiirgust. Tänapäeval asendatakse see elektronkiire kiiritusravi süsteemidega.
Isotoobi poolestusaeg mõnest proovist:
- hapnik 16 – lõpmatu;
- uraan 238 – 4 460 000 000 aastat;
- uraan 235 – 713 000 000 aastat;
- süsinik 14 – 5730 aastat;
- koob alt 60–5, 27 aastat vana;
- hõbe 94 – 0,42 sekundit.
Radiokarbonaadiga tutvumine
Ebastabiilne süsinik 14 laguneb väga ühtlase kiirusega järk-järgult süsinikuks 12. Nende süsiniku isotoopide suhe näitab mõnede Maa vanimate elanike vanust.
Raadiosüsiniku dateering on meetod, mis annab objektiivseid hinnanguid süsinikupõhiste materjalide vanuse kohta. Vanust saab hinnata, mõõtes proovis sisalduva süsiniku 14 kogust ja võrreldes seda rahvusvahelise standardiga.
Raadiosüsiniku dateerimise mõju kaasaegsele maailmale on teinud sellest ühe 20. sajandi olulisema avastuse. Taimed ja loomad assimileerivad süsinikdioksiidist süsinikku 14 kogu oma elu jooksul. Kui nad surevad, lõpetavad nad süsinikuvahetuse biosfääriga ja nende süsiniku 14 sisaldus hakkab vähenema kiirusega, mis on määratud radioaktiivse lagunemise seadusega.
Radiosüsiniku dateerimine on põhiliselt jääkradioaktiivsuse mõõtmise meetod. Teades, kui palju süsinikku 14 on proovis alles, saate teadaorganismi vanus, millal see suri. Tuleb märkida, et radiosüsiniku dateerimise tulemused näitavad, millal organism oli elus.
Raadiosüsiniku mõõtmise põhimeetodid
Süsinik 14 mõõtmiseks kasutatakse igas proovivõtturi proportsionaalses arvutuses, vedelikstsintillatsiooniloenduris ja kiirendi massispektromeetrias kolme peamist meetodit.
Proportsionaalne gaasiloendus on levinud radiomeetriline dateerimismeetod, mis võtab arvesse antud proovist eralduvaid beetaosakesi. Beetaosakesed on radiosüsiniku lagunemissaadused. Selle meetodi puhul muundatakse süsinikdioksiidi proov kõigepe alt gaasiliseks süsinikdioksiidiks, enne kui seda mõõdetakse gaasiproportsionaalsetes meetrites.
Stsintillatsioonivedeliku loendamine on teine radiosüsiniku dateerimise meetod, mis oli populaarne 1960. aastatel. Selle meetodi puhul on proov vedelal kujul ja sellele on lisatud stsintillaator. See stsintillaator tekitab beetaosakestega suhtlemisel valgussähvatuse. Proovitoru juhitakse kahe fotokordisti vahel ja kui mõlemad seadmed registreerivad valgussähvatuse, tehakse loendus.
Tuumateaduse eelised
Tuumareaktsioonide seadusi kasutatakse paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades, nagu meditsiin, energeetika, geoloogia, kosmose- ja keskkonnakaitse. Tuumameditsiin ja radioloogia on meditsiinipraktika, mis hõlmab kiirguse või radioaktiivsuse kasutamist diagnoosimiseks, raviks ja ennetamiseks.haigused. Kui radioloogiat on kasutatud peaaegu sajandi, siis terminit "tuumameditsiin" hakati kasutama umbes 50 aastat tagasi.
Tuumaenergiat on kasutatud aastakümneid ja see on üks kiiremini kasvavaid energiavõimalusi riikides, kes otsivad energiajulgeolekut ja vähese heitega energiasäästulahendusi.
Arheoloogid kasutavad objektide vanuse määramiseks laia valikut tuumameetodeid. Artefakte, nagu Torino surilina, Surnumere kirjarullid ja Karl Suure kroon, saab tuumatehnikat kasutades dateerida ja autentida.
Põllumajanduskogukondades kasutatakse haiguste vastu võitlemiseks tuumatehnoloogiaid. Radioaktiivseid allikaid kasutatakse kaevandustööstuses laialdaselt. Näiteks kasutatakse neid torustike ja keevisõmbluste ummistuste mittepurustavatel katsetel, stantsitud materjali tiheduse mõõtmisel.
Tuumateadusel on väärtuslik roll meie keskkonna ajaloo mõistmisel.
