Tindak balas nuklear (NR) - satu proses di mana nukleus atom berubah dengan menghancurkan atau bergabung dengan nukleus atom lain. Oleh itu, ia mesti membawa kepada transformasi sekurang-kurangnya satu nuklida kepada yang lain. Kadangkala, jika nukleus berinteraksi dengan nukleus atau zarah lain tanpa mengubah sifat mana-mana nuklida, proses itu dirujuk sebagai penyerakan nuklear. Mungkin yang paling ketara ialah tindak balas pelakuran unsur cahaya, yang menjejaskan penghasilan tenaga bintang dan matahari. Tindak balas semula jadi juga berlaku dalam interaksi sinar kosmik dengan jirim.
Reaktor nuklear semulajadi
Tindak balas terkawal manusia yang paling ketara ialah tindak balas pembelahan yang berlaku dalam reaktor nuklear. Ini adalah peranti untuk memulakan dan mengawal tindak balas rantai nuklear. Tetapi terdapat bukan sahaja reaktor buatan. Reaktor nuklear semula jadi pertama di dunia ditemui pada tahun 1972 di Oklo di Gabon oleh ahli fizik Perancis Francis Perrin.
Keadaan di mana tenaga semula jadi tindak balas nuklear boleh dijana telah diramalkan pada tahun 1956 oleh Paul Kazuo Kuroda. Satu-satunya tempat yang diketahui didunia terdiri daripada 16 tapak di mana tindak balas mampan diri jenis ini berlaku. Ini dipercayai berlaku sekitar 1.7 bilion tahun dahulu dan berterusan selama beberapa ratus ribu tahun, seperti yang dibuktikan oleh isotop xenon (gas hasil pembelahan) dan nisbah U-235/U-238 yang berbeza-beza (pengayaan uranium semulajadi).
Pembelahan nuklear
Plot tenaga pengikat menunjukkan bahawa nuklida dengan jisim lebih daripada 130 a.m.u. harus terpisah secara spontan antara satu sama lain untuk membentuk nuklida yang lebih ringan dan lebih stabil. Secara eksperimen, saintis telah mendapati bahawa tindak balas pembelahan spontan unsur-unsur tindak balas nuklear berlaku hanya untuk nuklida paling berat dengan nombor jisim 230 atau lebih. Walaupun ini dilakukan, ia sangat perlahan. Separuh hayat untuk pembelahan spontan 238 U, sebagai contoh, adalah 10-16 tahun, atau kira-kira dua juta kali lebih lama daripada usia planet kita! Tindak balas pembelahan boleh disebabkan oleh penyinaran sampel nuklida berat dengan neutron haba perlahan. Sebagai contoh, apabila 235 U menyerap neutron terma, ia pecah kepada dua zarah jisim tidak sekata dan membebaskan purata 2.5 neutron.
Penyerapan neutron 238 U mendorong getaran dalam nukleus, yang mengubah bentuknya sehingga pecah menjadi serpihan, sama seperti setitik cecair boleh pecah menjadi titisan yang lebih kecil. Lebih daripada 370 anak perempuan nuklida dengan jisim atom antara 72 dan 161 a.m.u. terbentuk semasa pembelahan oleh neutron terma 235U, termasuk dua produk,ditunjukkan di bawah.
Isotop tindak balas nuklear, seperti uranium, mengalami pembelahan teraruh. Tetapi satu-satunya isotop semula jadi 235 U hadir dengan banyaknya pada hanya 0.72%. Pembelahan teraruh isotop ini membebaskan purata 200 MeV setiap atom, atau 80 juta kilojoule per gram 235 U. Daya tarikan pembelahan nuklear sebagai sumber tenaga boleh difahami dengan membandingkan nilai ini dengan 50 kJ/g yang dibebaskan apabila semula jadi. gas terbakar.
Reaktor nuklear pertama
Reaktor nuklear buatan pertama dibina oleh Enrico Fermi dan rakan sekerja di bawah stadium bola sepak Universiti Chicago dan mula beroperasi pada 2 Disember 1942. Reaktor ini, yang menghasilkan beberapa kilowatt kuasa, terdiri daripada longgokan 385 tan blok grafit yang disusun berlapis-lapis di sekeliling kekisi padu 40 tan uranium dan uranium oksida. Pembelahan spontan 238 U atau 235 U dalam reaktor ini menghasilkan sangat sedikit neutron. Tetapi terdapat uranium yang mencukupi, jadi salah satu daripada neutron ini menyebabkan pembelahan nukleus 235 U, dengan itu membebaskan purata 2.5 neutron, yang memangkinkan pembelahan tambahan 235 nukleus U dalam tindak balas berantai (tindak balas nuklear).
Jumlah bahan fisil yang diperlukan untuk mengekalkan tindak balas berantai dipanggil jisim kritikal. Anak panah hijau menunjukkan pembelahan nukleus uranium dalam dua serpihan pembelahan yang memancarkan neutron baru. Sebahagian daripada neutron ini boleh mencetuskan tindak balas pembelahan baharu (anak panah hitam). Beberapaneutron mungkin hilang dalam proses lain (anak panah biru). Anak panah merah menunjukkan neutron tertangguh yang tiba kemudian daripada serpihan pembelahan radioaktif dan boleh mencetuskan tindak balas pembelahan baharu.
Penetapan tindak balas nuklear
Mari kita lihat sifat asas atom, termasuk nombor atom dan jisim atom. Nombor atom ialah bilangan proton dalam nukleus atom, dan isotop mempunyai nombor atom yang sama tetapi berbeza dalam bilangan neutron. Jika nukleus awal dilambangkan a dan b, dan nukleus hasil ditandakan c dan d, maka tindak balas boleh diwakili oleh persamaan yang anda boleh lihat di bawah.
Tindak balas nuklear manakah yang membatalkan zarah cahaya dan bukannya menggunakan persamaan penuh? Dalam banyak situasi, bentuk padat digunakan untuk menerangkan proses sedemikian: a (b, c) d bersamaan dengan a + b menghasilkan c + d. Zarah cahaya selalunya disingkatkan: biasanya p bermaksud proton, n untuk neutron, d untuk deuteron, α untuk alpha atau helium-4, β untuk beta atau elektron, γ untuk foton gamma, dsb.
Jenis tindak balas nuklear
Walaupun bilangan kemungkinan tindak balas sedemikian adalah besar, ia boleh diisih mengikut jenis. Kebanyakan tindak balas ini disertai oleh sinaran gamma. Berikut ialah beberapa contoh:
- Taburan anjal. Berlaku apabila tiada tenaga dipindahkan antara nukleus sasaran dan zarah yang masuk.
- Taburan tidak anjal. Berlaku apabila tenaga dipindahkan. Perbezaan dalam tenaga kinetik dikekalkan dalam nuklida teruja.
- Tangkap reaksi. kedua-duanya dikenakan danzarah neutral boleh ditangkap oleh nukleus. Ini disertai dengan pancaran sinar-ɣ. Zarah tindak balas nuklear dalam tindak balas penangkapan neutron dipanggil nuklida radioaktif (radioaktiviti teraruh).
- Reaksi penghantaran. Penyerapan zarah, disertai dengan pelepasan satu atau lebih zarah, dipanggil tindak balas pemindahan.
- Reaksi pembelahan. Pembelahan nuklear ialah tindak balas di mana nukleus atom terbahagi kepada kepingan yang lebih kecil (nukleus yang lebih ringan). Proses pembelahan selalunya menghasilkan neutron dan foton bebas (dalam bentuk sinar gamma) dan membebaskan sejumlah besar tenaga.
- Tindak balas gabungan. Berlaku apabila dua atau lebih nukleus atom berlanggar pada kelajuan yang sangat tinggi dan bergabung membentuk sejenis nukleus atom yang baharu. Zarah nuklear gabungan Deuterium-tritium sangat diminati kerana potensinya untuk membekalkan tenaga pada masa hadapan.
- Reaksi perpecahan. Berlaku apabila nukleus dipukul oleh zarah dengan tenaga dan momentum yang cukup untuk melumpuhkan beberapa serpihan kecil atau memecahkannya kepada banyak serpihan.
- Reaksi penyusunan semula. Ini ialah penyerapan zarah, disertai dengan pelepasan satu atau lebih zarah:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Dia (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Tindak balas penyusunan semula yang berbeza mengubah bilangan neutron dan bilangan proton.
Reput nuklear
Tindak balas nuklear berlaku apabila atom yang tidak stabil kehilangan tenaga melaluinyasinaran. Ia adalah proses rawak pada tahap atom tunggal, kerana menurut teori kuantum adalah mustahil untuk meramalkan bila atom individu akan mereput.
Terdapat banyak jenis pereputan radioaktif:
- Radioaktiviti alpha. Zarah alfa terdiri daripada dua proton dan dua neutron yang terikat bersama dengan zarah yang sama dengan nukleus helium. Oleh kerana jisimnya yang sangat besar dan casnya, ia mengion bahan dengan kuat dan mempunyai julat yang sangat pendek.
- Radioaktiviti beta. Ia adalah tenaga tinggi, positron berkelajuan tinggi, atau elektron, yang dipancarkan daripada jenis nukleus radioaktif tertentu, seperti kalium-40. Zarah beta mempunyai julat penembusan yang lebih besar daripada zarah alfa, tetapi masih kurang daripada sinar gamma. Zarah beta yang dikeluarkan ialah satu bentuk sinaran mengion, juga dikenali sebagai sinar beta tindak balas rantai nuklear. Pengeluaran zarah beta dipanggil pereputan beta.
- Radioaktiviti gamma. Sinar gamma ialah sinaran elektromagnet dengan frekuensi yang sangat tinggi dan oleh itu merupakan foton tenaga tinggi. Ia terbentuk apabila nukleus mereput semasa mereka pergi dari keadaan tenaga tinggi ke keadaan lebih rendah yang dikenali sebagai pereputan gamma. Kebanyakan tindak balas nuklear disertai oleh sinaran gamma.
- Pelepasan neutron. Pelepasan neutron ialah sejenis pereputan radioaktif nukleus yang mengandungi lebihan neutron (terutama hasil pembelahan), di mana neutron dikeluarkan daripada nukleus. Jenis inisinaran memainkan peranan penting dalam kawalan reaktor nuklear kerana neutron ini ditangguhkan.
Tenaga
Q-nilai tenaga tindak balas nuklear ialah jumlah tenaga yang dibebaskan atau diserap semasa tindak balas. Ia dipanggil keseimbangan tenaga, atau nilai Q bagi tindak balas. Tenaga ini dinyatakan sebagai perbezaan antara tenaga kinetik produk dan jumlah bahan tindak balas.
Pandangan umum bagi tindak balas: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), dengan x dan X ialah bahan tindak balas, dan y dan Y ialah hasil tindak balas, yang boleh menentukan tenaga tindak balas nuklear, Q ialah keseimbangan tenaga.
Q-nilai NR merujuk kepada tenaga yang dibebaskan atau diserap dalam tindak balas. Ia juga dipanggil imbangan tenaga NR, yang boleh menjadi positif atau negatif bergantung pada sifat.
Jika nilai Q adalah positif, tindak balas akan menjadi eksotermik, juga dipanggil eksoergik. Dia mengeluarkan tenaga. Jika nilai Q adalah negatif, tindak balas adalah endoergik, atau endotermik. Tindak balas sedemikian dilakukan dengan menyerap tenaga.
Dalam fizik nuklear, tindak balas sedemikian ditakrifkan oleh nilai Q, sebagai perbezaan antara jumlah jisim bahan tindak balas awal dan hasil akhir. Ia diukur dalam unit tenaga MeV. Pertimbangkan tindak balas biasa di mana peluru a dan sasaran A menghasilkan dua produk B dan b.
Ini boleh dinyatakan seperti ini: a + A → B + B, atau bahkan dalam tatatanda yang lebih padat - A (a, b) B. Jenis tenaga dalam tindak balas nuklear dan maksud tindak balas iniditentukan oleh formula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, yang bertepatan dengan lebihan tenaga kinetik produk akhir:
Q=T akhir - T awal
Untuk tindak balas di mana terdapat peningkatan tenaga kinetik produk, Q adalah positif. Tindak balas Q positif dipanggil eksotermik (atau eksogen).
Terdapat pelepasan bersih tenaga, kerana tenaga kinetik keadaan akhir lebih besar daripada keadaan awal. Untuk tindak balas di mana penurunan tenaga kinetik produk diperhatikan, Q adalah negatif.
Separuh hayat
Separuh hayat bahan radioaktif ialah pemalar ciri. Ia mengukur masa yang diperlukan untuk jumlah jirim tertentu dikurangkan separuh melalui pereputan dan oleh itu sinaran.
Ahli arkeologi dan ahli geologi menggunakan separuh hayat sehingga kini pada objek organik dalam proses yang dikenali sebagai pentarikhan karbon. Semasa pereputan beta, karbon 14 ditukar kepada nitrogen 14. Pada masa kematian, organisma berhenti menghasilkan karbon 14. Oleh kerana separuh hayat adalah malar, nisbah karbon 14 kepada nitrogen 14 memberikan ukuran umur sampel.
Dalam bidang perubatan, sumber tenaga tindak balas nuklear ialah isotop radioaktif Kob alt 60, yang telah digunakan untuk terapi sinaran untuk mengecutkan tumor yang kemudiannya akan dibuang melalui pembedahan, atau untuk membunuh sel-sel kanser dalam keadaan tidak boleh beroperasi.tumor. Apabila ia mereput menjadi nikel yang stabil, ia mengeluarkan dua tenaga yang agak tinggi - sinar gamma. Hari ini ia digantikan oleh sistem radioterapi pancaran elektron.
Isotop separuh hayat daripada beberapa sampel:
- oksigen 16 - tak terhingga;
- uranium 238 - 4,460,000,000 tahun;
- uranium 235 - 713,000,000 tahun;
- karbon 14 - 5,730 tahun;
- kob alt 60 - 5, 27 tahun;
- perak 94 - 0.42 saat.
tarikh radiokarbon
Pada kadar yang sangat stabil, karbon tidak stabil 14 secara beransur-ansur mereput menjadi karbon 12. Nisbah isotop karbon ini mendedahkan umur beberapa penduduk tertua di Bumi.
Pentarikhan radiokarbon ialah kaedah yang menyediakan anggaran objektif umur bahan berasaskan karbon. Umur boleh dianggarkan dengan mengukur jumlah karbon 14 yang terdapat dalam sampel dan membandingkannya dengan rujukan standard antarabangsa.
Kesan pentarikhan radiokarbon pada dunia moden telah menjadikannya salah satu penemuan paling penting pada abad ke-20. Tumbuhan dan haiwan mengasimilasikan karbon 14 daripada karbon dioksida sepanjang hayat mereka. Apabila mereka mati, mereka berhenti menukar karbon dengan biosfera, dan kandungan karbon 14 mereka mula menurun pada kadar yang ditentukan oleh undang-undang pereputan radioaktif.
Pentarikhan radiokarbon pada asasnya ialah kaedah untuk mengukur sisa radioaktiviti. Mengetahui berapa banyak karbon 14 yang tinggal dalam sampel, anda boleh mengetahuiumur organisma apabila ia mati. Perlu diingat bahawa keputusan pentarikhan radiokarbon menunjukkan apabila organisma itu masih hidup.
Kaedah asas untuk mengukur radiokarbon
Terdapat tiga kaedah utama yang digunakan untuk mengukur karbon 14 dalam mana-mana pengiraan berkadar pensampel, pembilang kilauan cecair dan spektrometri jisim pemecut.
Pengiraan gas berkadar ialah teknik pentarikhan radiometrik biasa yang mengambil kira zarah beta yang dipancarkan oleh sampel tertentu. Zarah beta ialah hasil pereputan radiokarbon. Dalam kaedah ini, sampel karbon terlebih dahulu ditukar kepada gas karbon dioksida sebelum diukur dalam meter berkadar gas.
Pengiraan cecair kilauan ialah satu lagi kaedah pentarikhan radiokarbon yang popular pada tahun 1960-an. Dalam kaedah ini, sampel adalah dalam bentuk cecair dan scintillator ditambah. Sintilator ini mencipta kilatan cahaya apabila ia berinteraksi dengan zarah beta. Tiub sampel dihantar antara dua fotomultiplier dan apabila kedua-dua peranti mendaftarkan kilatan cahaya, kiraan dibuat.
Faedah Sains Nuklear
Undang-undang tindak balas nuklear digunakan dalam pelbagai cabang sains dan teknologi, seperti perubatan, tenaga, geologi, ruang angkasa dan perlindungan alam sekitar. Perubatan nuklear dan radiologi ialah amalan perubatan yang melibatkan penggunaan sinaran atau radioaktiviti untuk diagnosis, rawatan dan pencegahan.penyakit. Walaupun radiologi telah digunakan selama hampir satu abad, istilah "perubatan nuklear" mula digunakan kira-kira 50 tahun yang lalu.
Kuasa nuklear telah digunakan selama beberapa dekad dan merupakan salah satu pilihan tenaga yang paling pesat berkembang untuk negara yang mencari penyelesaian penjimatan tenaga dan keselamatan tenaga dan pelepasan rendah.
Ahli arkeologi menggunakan pelbagai kaedah nuklear untuk menentukan umur objek. Artifak seperti Kafan Turin, Gulungan Laut Mati dan Mahkota Charlemagne boleh diberi tarikh dan disahkan menggunakan teknik nuklear.
Teknik nuklear digunakan dalam komuniti pertanian untuk melawan penyakit. Sumber radioaktif digunakan secara meluas dalam industri perlombongan. Contohnya, ia digunakan dalam ujian tidak merosakkan penyumbatan dalam saluran paip dan kimpalan, dalam mengukur ketumpatan bahan tebuk.
Sains nuklear memainkan peranan yang berharga dalam membantu kita memahami sejarah alam sekitar kita.
