Kernreaksie (NR) - 'n proses waarin die kern van 'n atoom verander deur te verpletter of te kombineer met die kern van 'n ander atoom. Dit moet dus lei tot die transformasie van ten minste een nuklied in 'n ander. Soms, as 'n kern met 'n ander kern of deeltjie in wisselwerking tree sonder om die aard van enige nuklied te verander, word die proses na verwys as kernverstrooiing. Die samesmeltingsreaksies van ligelemente is miskien die opvallendste, wat die energieproduksie van sterre en die son beïnvloed. Natuurlike reaksies vind ook plaas in die interaksie van kosmiese strale met materie.
Natuurlike kernreaktor
Die mees noemenswaardige mens-beheerde reaksie is die splitsingsreaksie wat in kernreaktore plaasvind. Dit is toestelle om 'n kernkettingreaksie te begin en te beheer. Maar daar is nie net kunsmatige reaktors nie. Die wêreld se eerste natuurlike kernreaktor is in 1972 by Oklo in Gaboen deur die Franse fisikus Francis Perrin ontdek.
Die toestande waaronder die natuurlike energie van 'n kernreaksie opgewek kan word, is in 1956 deur Paul Kazuo Kuroda voorspel. Die enigste bekende plek inwêreld bestaan uit 16 terreine waarin selfonderhoudende reaksies van hierdie tipe plaasgevind het. Dit was glo ongeveer 1,7 miljard jaar gelede en het vir etlike honderdduisend jaar voortgeduur, soos blyk uit xenon-isotope ('n splytingprodukgas) en wisselende verhoudings van U-235/U-238 (natuurlike uraanverryking).
Kernsplyting
Die bindingsenergie-plot dui daarop dat nukliede met 'n massa groter as 130 vm. moet spontaan van mekaar skei om ligter en meer stabiele nukliede te vorm. Eksperimenteel het wetenskaplikes gevind dat spontane splytingsreaksies van die elemente van 'n kernreaksie slegs plaasvind vir die swaarste nukliede met 'n massagetal van 230 of meer. Selfs as dit gedoen word, is dit baie stadig. Die halfleeftyd vir spontane splitsing van 238 U is byvoorbeeld 10-16 jaar, of sowat twee miljoen keer langer as die ouderdom van ons planeet! Splytingsreaksies kan geïnduseer word deur monsters van swaar nukliede met stadige termiese neutrone te bestraal. Byvoorbeeld, wanneer 235 U 'n termiese neutron absorbeer, breek dit in twee deeltjies met ongelyke massa en stel gemiddeld 2,5 neutrone vry.
Die absorpsie van die 238 U-neutron veroorsaak vibrasies in die kern, wat dit vervorm totdat dit in fragmente breek, net soos 'n druppel vloeistof in kleiner druppels kan versplinter. Meer as 370 dogternukliede met atoommassas tussen 72 en 161 vm. word tydens splitsing gevorm deur 'n termiese neutron 235U, insluitend twee produkte,hieronder getoon.
Isotope van 'n kernreaksie, soos uraan, ondergaan geïnduseerde splitsing. Maar die enigste natuurlike isotoop 235 U is in oorvloed teenwoordig teen slegs 0,72%. Die geïnduseerde splitsing van hierdie isotoop stel gemiddeld 200 MeV per atoom vry, of 80 miljoen kilojoules per gram van 235 U. Die aantrekkingskrag van kernsplyting as 'n energiebron kan verstaan word deur hierdie waarde te vergelyk met die 50 kJ/g wat vrygestel word wanneer dit natuurlik is. gas word verbrand.
Eerste kernreaktor
Die eerste kunsmatige kernreaktor is deur Enrico Fermi en medewerkers onder die Universiteit van Chicago-sokkerstadion gebou en op 2 Desember 1942 in werking gestel. Hierdie reaktor, wat etlike kilowatt krag opgelewer het, het bestaan uit 'n hoop 385 ton grafietblokke wat in lae om 'n kubieke rooster van 40 ton uraan en uraanoksied gestapel is. Spontane splitsing van 238 U of 235 U in hierdie reaktor het baie min neutrone opgelewer. Maar daar was genoeg uraan, so een van hierdie neutrone het splyting van die 235 U-kern geïnduseer, waardeur gemiddeld 2,5 neutrone vrygestel is, wat die splitsing van bykomende 235 U-kerne in 'n kettingreaksie (kernreaksies) gekataliseer het.
Die hoeveelheid splytbare materiaal wat nodig is om 'n kettingreaksie te onderhou, word kritiese massa genoem. Die groen pyle wys die splitsing van die uraankern in twee splitsingsfragmente wat nuwe neutrone uitstraal. Sommige van hierdie neutrone kan nuwe splytingsreaksies (swart pyle) veroorsaak. Sommige vanneutrone kan verlore gaan in ander prosesse (blou pyle). Rooi pyle wys vertraagde neutrone wat later van radioaktiewe splitsingsfragmente aankom en nuwe splytingsreaksies kan veroorsaak.
Aanwysing van kernreaksies
Kom ons kyk na die basiese eienskappe van atome, insluitend atoomgetal en atoommassa. Die atoomgetal is die aantal protone in die kern van 'n atoom, en isotope het dieselfde atoomgetal maar verskil in die aantal neutrone. As die aanvanklike kerne a en b aangedui word, en die produk kerne word aangedui c en d, dan kan die reaksie voorgestel word deur die vergelyking wat jy hieronder kan sien.
Watter kernreaksies kanselleer vir ligdeeltjies in plaas daarvan om volledige vergelykings te gebruik? In baie situasies word die kompakte vorm gebruik om sulke prosesse te beskryf: a (b, c) d is gelykstaande aan a + b wat c + d produseer. Ligdeeltjies word dikwels afgekort: gewoonlik staan p vir proton, n vir neutron, d vir deuteron, α vir alfa of helium-4, β vir beta of elektron, γ vir gammafoton, ens.
Tipes kernreaksies
Hoewel die aantal moontlike sulke reaksies groot is, kan hulle volgens tipe gesorteer word. Die meeste van hierdie reaksies gaan gepaard met gammastraling. Hier is 'n paar voorbeelde:
- Elastiese verstrooiing. Vind plaas wanneer geen energie tussen die teikenkern en die inkomende deeltjie oorgedra word nie.
- Onelastiese verstrooiing. Kom voor wanneer energie oorgedra word. Die verskil in kinetiese energieë word bewaar in die opgewekte nuklied.
- Vag reaksies vas. beide aangekla enneutrale deeltjies kan deur kerne gevang word. Dit gaan gepaard met die vrystelling van ɣ-strale. Die deeltjies van kernreaksies in die neutronvangreaksie word radioaktiewe nukliede (geïnduseerde radioaktiwiteit) genoem.
- Transmissiereaksies. Die absorpsie van 'n deeltjie, gepaardgaande met die vrystelling van een of meer deeltjies, word 'n oordragreaksie genoem.
- Splytingsreaksies. Kernsplyting is 'n reaksie waarin die kern van 'n atoom in kleiner stukke (ligter kerne) verdeel word. Die splitsingsproses produseer dikwels vrye neutrone en fotone (in die vorm van gammastrale) en stel groot hoeveelhede energie vry.
- Fusie-reaksies. Kom voor wanneer twee of meer atoomkerne teen 'n baie hoë spoed bots en kombineer om 'n nuwe tipe atoomkern te vorm. Deuterium-tritium samesmelting kerndeeltjies is van besondere belang as gevolg van hul potensiaal om energie in die toekoms te voorsien.
- Verdelende reaksies. Kom voor wanneer 'n kern deur 'n deeltjie getref word met genoeg energie en momentum om 'n paar klein fragmente uit te slaan of dit in baie fragmente op te breek.
- Herrangskikkingsreaksies. Dit is die absorpsie van 'n deeltjie, gepaardgaande met die vrystelling van een of meer deeltjies:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Hy (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Verskillende herrangskikkingsreaksies verander die aantal neutrone en die aantal protone.
Kernverval
Kernreaksies vind plaas wanneer 'n onstabiele atoom energie verloor deurbestraling. Dit is 'n ewekansige proses op die vlak van enkele atome, aangesien dit volgens die kwantumteorie onmoontlik is om te voorspel wanneer 'n individuele atoom sal verval.
Daar is baie soorte radioaktiewe verval:
- Alfa-radioaktiwiteit. Alfa-deeltjies bestaan uit twee protone en twee neutrone wat saamgebind is met 'n deeltjie wat identies is aan 'n heliumkern. As gevolg van sy baie groot massa en sy lading, ioniseer dit die materiaal sterk en het 'n baie kort reikafstand.
- Beta-radioaktiwiteit. Dit is hoë-energie, hoëspoed positrone, of elektrone, wat deur sekere soorte radioaktiewe kerne, soos kalium-40, vrygestel word. Beta-deeltjies het 'n groter penetrasiegebied as alfa-deeltjies, maar steeds baie minder as gammastrale. Uitgestoot beta-deeltjies is 'n vorm van ioniserende straling, ook bekend as kernkettingreaksie beta-strale. Die produksie van beta-deeltjies word beta-verval genoem.
- Gamma-radioaktiwiteit. Gammastrale is elektromagnetiese straling met baie hoë frekwensie en is dus hoë-energie fotone. Hulle word gevorm wanneer kerne verval terwyl hulle van 'n hoë-energietoestand na 'n laer toestand, bekend as gamma-verval, gaan. Die meeste kernreaksies gaan met gammastraling gepaard.
- Neutronemissie. Neutronemissie is 'n tipe radioaktiewe verval van kerne wat oortollige neutrone bevat (veral splitsingsprodukte), waarin die neutron eenvoudig uit die kern uitgestoot word. Hierdie tipebestraling speel 'n sleutelrol in die beheer van kernreaktors omdat hierdie neutrone vertraag word.
Energy
Q-waarde van die energie van 'n kernreaksie is die hoeveelheid energie wat vrygestel of geabsorbeer word tydens die reaksie. Dit word die energiebalans, of Q-waarde van die reaksie genoem. Hierdie energie word uitgedruk as die verskil tussen die kinetiese energie van die produk en die hoeveelheid van die reaktant.
Algemene siening van die reaksie: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), waar x en X reaktante is, en y en Y is reaksieproduk, wat die energie van 'n kernreaksie kan bepaal, Q is die energiebalans.
Q-waarde NR verwys na die energie wat in 'n reaksie vrygestel of geabsorbeer word. Dit word ook die NR-energiebalans genoem, wat positief of negatief kan wees afhangende van die aard.
As die Q-waarde positief is, sal die reaksie eksotermies wees, ook genoem eksoergies. Sy stel energie vry. As die Q-waarde negatief is, is die reaksie endoergies, of endotermies. Sulke reaksies word uitgevoer deur energie te absorbeer.
In kernfisika word sulke reaksies gedefinieer deur die Q-waarde, as die verskil tussen die som van die massas van die aanvanklike reaktante en die finale produkte. Dit word gemeet in energie-eenhede MeV. Beskou 'n tipiese reaksie waarin projektiel a en teiken A oplewer vir twee produkte B en b.
Dit kan soos volg uitgedruk word: a + A → B + B, of selfs in 'n meer kompakte notasie - A (a, b) B. Tipes energie in 'n kernreaksie en die betekenis van hierdie reaksiebepaal deur die formule:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, wat saamval met die oortollige kinetiese energie van die finale produkte:
Q=T finaal - T aanvanklike
Vir reaksies waarin daar 'n toename in die kinetiese energie van die produkte is, is Q positief. Positiewe Q-reaksies word eksotermies (of eksogeen) genoem.
Daar is 'n netto vrystelling van energie, aangesien die kinetiese energie van die finale toestand groter is as in die aanvanklike toestand. Vir reaksies waarin 'n afname in die kinetiese energie van die produkte waargeneem word, is Q negatief.
Halfleeftyd
Die halfleeftyd van 'n radioaktiewe stof is 'n kenmerkende konstante. Dit meet die tyd wat nodig is vir 'n gegewe hoeveelheid materie om met die helfte verminder te word deur verval en dus straling.
Argeoloë en geoloë gebruik die halfleeftyd tot op datum op organiese voorwerpe in 'n proses wat bekend staan as koolstofdatering. Tydens beta-verval word koolstof 14 omgeskakel na stikstof 14. Met die tyd van dood hou organismes op om koolstof 14 te produseer. Omdat die halfleeftyd konstant is, verskaf die verhouding van koolstof 14 tot stikstof 14 'n maatstaf van die ouderdom van die monster.
In die mediese veld is die energiebronne van kernreaksies radioaktiewe isotope van Cob alt 60, wat gebruik is vir bestralingsterapie om gewasse wat later chirurgies verwyder sal word, te krimp, of om kankerselle in onoperasie dood te maak.gewasse. Wanneer dit in stabiele nikkel verval, straal dit twee relatief hoë energieë uit – gammastrale. Vandag word dit vervang deur elektronstraalbestralingstelsels.
Isotoop-halfleeftyd van sommige monsters:
- suurstof 16 - oneindig;
- uraan 238 - 4 460 000 000 jaar;
- uraan 235 - 713 000 000 jaar;
- koolstof 14 - 5 730 jaar;
- kob alt 60 - 5, 27 jaar oud;
- silwer 94 - 0.42 sekondes.
Radiokoolstofafsprake
Teen 'n baie bestendige tempo verval onstabiele koolstof 14 geleidelik in koolstof 12. Die verhouding van hierdie koolstofisotope openbaar die ouderdom van sommige van die Aarde se oudste inwoners.
Radiokoolstofdatering is 'n metode wat objektiewe skattings verskaf van die ouderdom van koolstofgebaseerde materiale. Ouderdom kan geskat word deur die hoeveelheid koolstof 14 wat in 'n monster teenwoordig is te meet en dit te vergelyk met 'n internasionale standaardverwysing.
Die impak van radiokoolstofdatering op die moderne wêreld het dit een van die belangrikste ontdekkings van die 20ste eeu gemaak. Plante en diere assimileer koolstof 14 uit koolstofdioksied deur hul lewens. Wanneer hulle sterf, hou hulle op om koolstof met die biosfeer uit te ruil, en hul koolstof-14-inhoud begin afneem teen 'n tempo wat bepaal word deur die wet van radioaktiewe verval.
Radiokoolstofdatering is in wese 'n metode om oorblywende radioaktiwiteit te meet. As jy weet hoeveel koolstof 14 in die monster oor is, kan jy uitvinddie ouderdom van die organisme toe dit gesterf het. Daar moet kennis geneem word dat die resultate van radiokoolstofdatering wys wanneer die organisme lewendig was.
Basiese metodes vir die meting van radiokoolstof
Daar is drie hoofmetodes wat gebruik word om koolstof 14 te meet in enige gegewe monsternemer proporsionele berekening, vloeistofscintillasieteller en versnellermassaspektrometrie.
Proportionele gastelling is 'n algemene radiometriese dateringstegniek wat die beta-deeltjies wat deur 'n gegewe monster vrygestel word, in ag neem. Beta-deeltjies is vervalprodukte van radiokoolstof. In hierdie metode word die koolstofmonster eers na koolstofdioksiedgas omgeskakel voordat dit in gasproporsionele meters gemeet word.
Scintillasievloeistoftelling is nog 'n metode van radiokoolstofdatering wat in die 1960's gewild was. In hierdie metode is die monster in vloeibare vorm en 'n scintillator word bygevoeg. Hierdie blinker skep 'n flits lig wanneer dit in wisselwerking met 'n beta-deeltjie inwerk. Die monsterbuis word tussen twee fotovermenigvuldigers deurgevoer en wanneer beide toestelle 'n ligflits registreer, word 'n telling gemaak.
Die voordele van kernwetenskap
Die wette van kernreaksies word gebruik in 'n wye reeks vertakkings van wetenskap en tegnologie, soos medisyne, energie, geologie, ruimte en omgewingsbeskerming. Kerngeneeskunde en radiologie is mediese praktyke wat die gebruik van bestraling of radioaktiwiteit vir diagnose, behandeling en voorkoming behels.siektes. Terwyl radiologie al byna 'n eeu in gebruik is, het die term "kerngeneeskunde" sowat 50 jaar gelede begin gebruik word.
Kernkrag word al dekades lank gebruik en is een van die vinnigste groeiende energie-opsies vir lande wat op soek is na energiesekuriteit en oplossings vir lae-emissie-energiebesparing.
Argeoloë gebruik 'n wye reeks kernmetodes om die ouderdom van voorwerpe te bepaal. Artefakte soos die Kleed van Turyn, die Dooie See-rolle en die Kroon van Karel die Grote kan gedateer en gewaarmerk word deur kerntegnieke te gebruik.
Kerntegnieke word in landbougemeenskappe gebruik om siektes te beveg. Radioaktiewe bronne word wyd in die mynbedryf gebruik. Hulle word byvoorbeeld gebruik in nie-vernietigende toetsing van blokkasies in pyplyne en sweislasse, om die digtheid van ponsmateriaal te meet.
Kernwetenskap speel 'n waardevolle rol om ons te help om die geskiedenis van ons omgewing te verstaan.
