Πυρηνικές αντιδράσεις στη φύση. Έκθεση για τις πυρηνικές αντιδράσεις

§ 3.13 Πυρηνικές αντιδράσεις και ελάττωμα μάζας

Πυρηνική αντίδραση (NR) - μια διαδικασία κατά την οποία ο πυρήνας ενός ατόμου αλλάζει με σύνθλιψη ή συνδυασμό με τον πυρήνα ενός άλλου ατόμου. Έτσι, πρέπει να οδηγήσει στη μετατροπή τουλάχιστον ενός νουκλεϊδίου σε άλλο. Μερικές φορές, εάν ένας πυρήνας αλληλεπιδρά με έναν άλλο πυρήνα ή σωματίδιο χωρίς να αλλάξει τη φύση οποιουδήποτε νουκλεϊδίου, η διαδικασία αναφέρεται ως πυρηνική σκέδαση. Ίσως πιο αξιοσημείωτες είναι οι αντιδράσεις των ελαφρών στοιχείων που επηρεάζουν την παραγωγή ενέργειας των αστεριών και του ήλιου. Φυσικές αντιδράσεις συμβαίνουν επίσης στην αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων με την ύλη.

φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας

Η πιο αξιοσημείωτη ελεγχόμενη από τον άνθρωπο αντίδραση είναι η αντίδραση σχάσης, η οποία λαμβάνει χώρα σε αυτές τις συσκευές για την έναρξη και τον έλεγχο μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης. Δεν υπάρχουν όμως μόνο τεχνητοί αντιδραστήρες. Ο πρώτος φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας στον κόσμο ανακαλύφθηκε το 1972 στο Oklo της Γκαμπόν από τον Γάλλο φυσικό Francis Perrin.

Οι συνθήκες υπό τις οποίες θα μπορούσε να δημιουργηθεί η φυσική ενέργεια μιας πυρηνικής αντίδρασης προβλέφθηκαν το 1956 από τον Paul Kazuo Kuroda. Η μόνη γνωστή τοποθεσία στον κόσμο αποτελείται από 16 τοποθεσίες όπου έχουν εμφανιστεί αυτοσυντηρούμενες αντιδράσεις αυτού του τύπου. Αυτό πιστεύεται ότι ήταν πριν από περίπου 1,7 δισεκατομμύρια χρόνια και συνεχίστηκε για αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, όπως αποδεικνύεται από τα ισότοπα ξένου (αέριο προϊόν σχάσης) και τις ποικίλες αναλογίες U-235/U-238 (φυσικός εμπλουτισμός ουρανίου).

Πυρηνική διάσπαση

Η γραφική παράσταση της ενέργειας δέσμευσης υποδηλώνει ότι τα νουκλίδια με μάζα μεγαλύτερη από 130 π.μ. θα πρέπει να διαχωρίζονται αυθόρμητα το ένα από το άλλο για να σχηματίσουν ελαφρύτερα και πιο σταθερά νουκλίδια. Πειραματικά, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι αυθόρμητες αντιδράσεις σχάσης των στοιχείων μιας πυρηνικής αντίδρασης συμβαίνουν μόνο για τα βαρύτερα νουκλίδια με μαζικό αριθμό 230 ή περισσότερο. Ακόμα κι αν γίνει αυτό, είναι πολύ αργό. Ο χρόνος ημιζωής για την αυθόρμητη σχάση των 238 U, για παράδειγμα, είναι 10-16 χρόνια, ή περίπου δύο εκατομμύρια φορές μεγαλύτερος από την ηλικία του πλανήτη μας! Οι αντιδράσεις σχάσης μπορούν να προκληθούν με ακτινοβόληση δειγμάτων βαρέων νουκλιδίων με αργά θερμικά νετρόνια. Για παράδειγμα, όταν τα 235 U απορροφούν ένα θερμικό νετρόνιο, αυτό διασπάται σε δύο σωματίδια ανομοιόμορφης μάζας και απελευθερώνει κατά μέσο όρο 2,5 νετρόνια.

Η απορρόφηση του νετρονίου 238 U προκαλεί ταλαντώσεις στον πυρήνα, οι οποίες τον παραμορφώνουν μέχρι να σπάσει σε θραύσματα, όπως μια σταγόνα υγρού μπορεί να σπάσει σε μικρότερα σταγονίδια. Περισσότερα από 370 θυγατρικά νουκλίδια με ατομική μάζα μεταξύ 72 και 161 π.μ. που παράγεται με σχάση με το θερμικό νετρόνιο 235U, συμπεριλαμβανομένων των δύο προϊόντων που φαίνονται παρακάτω.

Τα ισότοπα της πυρηνικής αντίδρασης, όπως το ουράνιο, υφίστανται επαγόμενη σχάση. Αλλά το μόνο φυσικό ισότοπο 235 U υπάρχει σε αφθονία μόνο σε 0,72%. Η επαγόμενη σχάση αυτού του ισοτόπου απελευθερώνει κατά μέσο όρο 200 MeV ανά άτομο, ή 80 εκατομμύρια kilojoules ανά γραμμάριο 235 U. Η έλξη της πυρηνικής σχάσης ως πηγή ενέργειας μπορεί να γίνει κατανοητή συγκρίνοντας αυτή την τιμή με τα 50 kJ/g που απελευθερώνονται όταν το φυσικό αέριο καίγεται.

Πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας

Ο πρώτος τεχνητός πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε από τον Ενρίκο Φέρμι και τέθηκε σε λειτουργία από υπαλλήλους κάτω από το γήπεδο ποδοσφαίρου στις 2 Δεκεμβρίου 1942. Αυτός ο αντιδραστήρας, ο οποίος παρήγαγε πολλά κιλοβάτ ισχύος, αποτελούνταν από ένα σωρό 385 τόνων μπλοκ γραφίτη στοιβαγμένα σε στρώματα γύρω από ένα κυβικό πλέγμα 40 τόνων ουρανίου και οξειδίου του ουρανίου. Η αυθόρμητη σχάση 238 U ή 235 U σε αυτόν τον αντιδραστήρα παρήγαγε πολύ λίγα νετρόνια. Αλλά υπήρχε αρκετό ουράνιο, έτσι ώστε ένα από αυτά τα νετρόνια προκάλεσε 235 U, απελευθερώνοντας έτσι κατά μέσο όρο 2,5 νετρόνια, τα οποία κατέλυσαν τη σχάση επιπλέον 235 U πυρήνων σε μια αλυσιδωτή αντίδραση (πυρηνικές αντιδράσεις).

Η ποσότητα του σχάσιμου υλικού που απαιτείται για τη διατήρηση της αλυσιδωτής αντίδρασης ονομάζεται Τα πράσινα βέλη δείχνουν τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου σε δύο θραύσματα σχάσης που εκπέμπουν νέα νετρόνια. Μερικά από αυτά τα νετρόνια μπορούν να πυροδοτήσουν νέες αντιδράσεις σχάσης (μαύρα βέλη). Μερικά από τα νετρόνια μπορεί να χαθούν σε άλλες διεργασίες (μπλε βέλη). Τα κόκκινα βέλη δείχνουν καθυστερημένα νετρόνια που προέρχονται αργότερα από ραδιενεργά θραύσματα σχάσης και μπορούν να προκαλέσουν νέες αντιδράσεις σχάσης.

Ονομασία πυρηνικών αντιδράσεων

Εξετάστε τις βασικές ιδιότητες των ατόμων, συμπεριλαμβανομένου του ατομικού αριθμού και της ατομικής μάζας. Ο ατομικός αριθμός είναι ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου και τα ισότοπα έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφέρουν στον αριθμό των νετρονίων. Αν συμβολίζονται οι αρχικοί πυρήνες ένακαι σι,και συμβολίζονται οι πυρήνες του προϊόντος Μεκαι ρε,τότε η αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί από την εξίσωση που μπορείτε να δείτε παρακάτω.

Ποιες πυρηνικές αντιδράσεις ακυρώνουν τα ελαφρά σωματίδια αντί να χρησιμοποιούν πλήρεις εξισώσεις; Σε πολλές περιπτώσεις, η συμπαγής μορφή χρησιμοποιείται για να περιγράψει τέτοιες διαδικασίες: Α Β Γ Δισοδυναμεί με α+βπου παράγουν γ + δ.Τα σωματίδια φωτός συχνά συρρικνώνονται: συνήθως Πσημαίνει πρωτόνιο, n-νετρόνιο, ρε- δευτερόνιο, α - σωματίδιο άλφα ή ήλιο-4, β σωματίδιο βήτα ή ηλεκτρόνιο γ - φωτόνιο γάμμα, κ.λπ.

Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων

Αν και ο αριθμός των πιθανών τέτοιων αντιδράσεων είναι τεράστιος, μπορούν να ταξινομηθούν ανά τύπο. Οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις συνοδεύονται από ακτινοβολία γάμμα. Ορίστε μερικά παραδείγματα:

1. Ελαστική σκέδαση. Εμφανίζεται όταν δεν μεταφέρεται ενέργεια μεταξύ του πυρήνα στόχο και του προσπίπτοντος σωματιδίου.
2. Ανελαστική σκέδαση. Εμφανίζεται όταν μεταφέρεται ενέργεια. Η διαφορά στις κινητικές ενέργειες διατηρείται στο διεγερμένο νουκλίδιο.
3. συλλάβει αντιδράσεις. Τόσο τα φορτισμένα όσο και τα ουδέτερα σωματίδια μπορούν να συλληφθούν από πυρήνες. Αυτό συνοδεύεται από την εκπομπή ακτίνων ɣ. Τα σωματίδια των πυρηνικών αντιδράσεων στην αντίδραση δέσμευσης νετρονίων ονομάζονται ραδιενεργά νουκλίδια (επαγόμενη ραδιενέργεια).
4. Αντιδράσεις μεταφοράς. Η απορρόφηση ενός σωματιδίου που συνοδεύεται από την εκπομπή ενός ή περισσότερων σωματιδίων ονομάζεται αντίδραση μεταφοράς.
5. Αντιδράσεις σχάσης. Η πυρηνική σχάση είναι μια αντίδραση κατά την οποία ο πυρήνας ενός ατόμου χωρίζεται σε μικρότερα κομμάτια (ελαφρύτεροι πυρήνες). Η διαδικασία της σχάσης συχνά παράγει ελεύθερα νετρόνια και φωτόνια (με τη μορφή ακτίνων γάμμα) και απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
6. Αντιδράσεις σύντηξης. Εμφανίζονται όταν δύο ή περισσότεροι ατομικοί πυρήνες συγκρούονται με πολύ υψηλή ταχύτητα και συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν νέο τύπο ατομικού πυρήνα. Τα σωματίδια από τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης δευτερίου-τριτίου παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της δυνατότητάς τους να παρέχουν ενέργεια στο μέλλον.
7. αντιδράσεις διάσπασης. Εμφανίζεται όταν ένας πυρήνας χτυπιέται από ένα σωματίδιο με αρκετή ενέργεια και ορμή για να χτυπήσει έξω μερικά μικρά θραύσματα ή να τον σπάσει σε πολλά θραύσματα.
8. αντιδράσεις αναδιάταξης. Αυτή είναι η απορρόφηση ενός σωματιδίου, που συνοδεύεται από την εκπομπή ενός ή περισσότερων σωματιδίων:

• 197Au (p, d) 196mAu
• 4He (a, p) 7Li
• 27Al (a, n) 30P
• 54Fe (a, d) 58Co
• 54Fe(a, 2n) 56Ni
• 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Διάφορες αντιδράσεις αναδιάταξης αλλάζουν τον αριθμό των νετρονίων και τον αριθμό των πρωτονίων.

πυρηνική αποσύνθεση

Οι πυρηνικές αντιδράσεις συμβαίνουν όταν ένα ασταθές άτομο χάνει ενέργεια μέσω της ακτινοβολίας. Είναι μια τυχαία διαδικασία σε επίπεδο μεμονωμένων ατόμων, αφού σύμφωνα με την κβαντική θεωρία είναι αδύνατο να προβλεφθεί πότε ένα μεμονωμένο άτομο θα διασπαστεί.

Υπάρχουν πολλοί τύποι ραδιενεργής διάσπασης:

1. Άλφα ραδιενέργεια. Τα σωματίδια άλφα αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια συνδεδεμένα μεταξύ τους με ένα σωματίδιο πανομοιότυπο με έναν πυρήνα ηλίου. Λόγω της πολύ μεγάλης μάζας και του φορτίου του, ιονίζει έντονα το υλικό και έχει πολύ μικρή εμβέλεια.
2. Βήτα ραδιενέργεια. Είναι ποζιτρόνια ή ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, υψηλής ταχύτητας, που εκπέμπονται από ορισμένους τύπους ραδιενεργών πυρήνων, όπως το κάλιο-40. Τα σωματίδια βήτα έχουν μεγαλύτερο εύρος διείσδυσης από τα σωματίδια άλφα, αλλά ακόμα πολύ μικρότερο από τις ακτίνες γάμμα. Τα εκτοξευόμενα σωματίδια βήτα είναι μια μορφή ιονίζουσας ακτινοβολίας, γνωστή και ως ακτίνες βήτα της πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης. Η παραγωγή σωματιδίων βήτα ονομάζεται βήτα διάσπαση.
3. Γάμμα ραδιενέργεια. Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πολύ υψηλής συχνότητας και επομένως είναι φωτόνια υψηλής ενέργειας. Σχηματίζονται όταν οι πυρήνες αποσυντίθενται καθώς περνούν από μια κατάσταση υψηλής ενέργειας σε μια χαμηλότερη κατάσταση γνωστή ως διάσπαση γάμμα. Οι περισσότερες πυρηνικές αντιδράσεις συνοδεύονται από ακτινοβολία γάμμα.
4. Εκπομπή νετρονίων. Η εκπομπή νετρονίων είναι ένας τύπος ραδιενεργού διάσπασης πυρήνων που περιέχουν περίσσεια νετρονίων (ειδικά προϊόντα σχάσης), κατά την οποία το νετρόνιο απλώς εκτοξεύεται από τον πυρήνα. Αυτός ο τύπος ακτινοβολίας παίζει βασικό ρόλο στον έλεγχο των πυρηνικών αντιδραστήρων επειδή αυτά τα νετρόνια καθυστερούν.

Ενέργεια

Η τιμή Q της ενέργειας μιας πυρηνικής αντίδρασης είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Ονομάζεται ή Q-τιμή της αντίδρασης. Αυτή η ενέργεια εκφράζεται ως η διαφορά μεταξύ της κινητικής ενέργειας του προϊόντος και της ποσότητας του αντιδρώντος.

Γενική άποψη της αντίδρασης: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), όπου Χκαι Χείναι αντιδραστήρια, και yκαι Υ- προϊόν αντίδρασης, το οποίο μπορεί να καθορίσει την ενέργεια μιας πυρηνικής αντίδρασης, Q - ενεργειακό ισοζύγιο.

Q-value NR σημαίνει την ενέργεια που απελευθερώνεται ή απορροφάται στην αντίδραση. Ονομάζεται επίσης ενεργειακό ισοζύγιο NR, το οποίο μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό ανάλογα με τον χαρακτήρα.

Εάν η τιμή Q είναι θετική, η αντίδραση θα είναι εξώθερμη, που ονομάζεται επίσης εξωεργική. Απελευθερώνει ενέργεια. Εάν η τιμή Q είναι αρνητική, η αντίδραση είναι ενδοεργική ή ενδόθερμη. Τέτοιες αντιδράσεις πραγματοποιούνται με απορρόφηση ενέργειας.

Στην πυρηνική φυσική, τέτοιες αντιδράσεις ορίζονται από την τιμή Q, ως τη διαφορά μεταξύ του αθροίσματος των μαζών των αρχικών αντιδρώντων και των τελικών προϊόντων. Μετριέται σε ενεργειακές μονάδες MeV. Σκεφτείτε μια τυπική αντίδραση στην οποία το βλήμα ένακαι σκοπός ΕΝΑκατώτερο από δύο προϊόντα σικαι σι.

Αυτό μπορεί να εκφραστεί ως εξής: a + A → B + B, ή ακόμα και με πιο συμπαγή συμβολισμό - A (a, b) B. Οι τύποι ενεργειών σε μια πυρηνική αντίδραση και η τιμή αυτής της αντίδρασης καθορίζονται από τον τύπο :

Q = c2,

που συμπίπτει με την περίσσεια κινητικής ενέργειας των τελικών προϊόντων:

Q = T τελικό - T αρχικό

Για αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται αύξηση της κινητικής ενέργειας των προϊόντων, το Q είναι θετικό. Οι θετικές αντιδράσεις Q ονομάζονται εξώθερμες (ή εξωγενείς).

Υπάρχει μια καθαρή απελευθέρωση ενέργειας, αφού η κινητική ενέργεια της τελικής κατάστασης είναι μεγαλύτερη από αυτή της αρχικής κατάστασης. Για αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται μείωση της κινητικής ενέργειας των προϊόντων, το Q είναι αρνητικό.

Ο χρόνος ημιζωής μιας ραδιενεργής ουσίας είναι μια χαρακτηριστική σταθερά. Μετρά τον χρόνο που απαιτείται για μια δεδομένη ποσότητα ύλης να μειωθεί στο μισό μέσω της αποσύνθεσης και συνεπώς της ακτινοβολίας.

Οι αρχαιολόγοι και οι γεωλόγοι χρησιμοποιούν τον χρόνο ημιζωής μέχρι σήμερα σε οργανικά αντικείμενα σε μια διαδικασία γνωστή ως χρονολόγηση άνθρακα. Κατά τη διάσπαση βήτα, ο άνθρακας 14 μετατρέπεται σε άζωτο 14. Κατά τη στιγμή του θανάτου, οι οργανισμοί σταματούν να παράγουν άνθρακα 14. Επειδή ο χρόνος ημιζωής είναι σταθερός, ο λόγος του άνθρακα 14 προς το άζωτο 14 παρέχει ένα μέτρο της ηλικίας του δείγματος.

Στον ιατρικό τομέα, οι πηγές ενέργειας για τις πυρηνικές αντιδράσεις είναι τα ραδιενεργά ισότοπα του κοβαλτίου 60, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για ακτινοθεραπεία για τη συρρίκνωση όγκων που αργότερα θα αφαιρεθούν χειρουργικά ή για τη θανάτωση καρκινικών κυττάρων σε ανεγχείρητους όγκους. Όταν διασπάται σε σταθερό νικέλιο, εκπέμπει δύο σχετικά υψηλές ενέργειες - ακτίνες γάμμα. Σήμερα αντικαθίσταται από συστήματα ακτινοθεραπείας με δέσμη ηλεκτρονίων.

Χρόνος ημιζωής ισοτόπων από ορισμένα δείγματα:

• οξυγόνο 16 - άπειρο;
• ουράνιο 238 - 4.460.000.000 χρόνια;
• ουράνιο 235 - 713.000.000 χρόνια;
• άνθρακας 14 - 5.730 χρόνια;
• κοβάλτιο 60 - 5,27 ετών;
• ασήμι 94 - 0,42 δευτερόλεπτα.

χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα

Με πολύ σταθερό ρυθμό, ο ασταθής άνθρακας 14 διασπάται σταδιακά σε άνθρακα 12. Η αναλογία αυτών των ισοτόπων άνθρακα αποκαλύπτει την ηλικία μερικών από τους παλαιότερους κατοίκους της γης.

Η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα είναι μια μέθοδος που παρέχει αντικειμενικές εκτιμήσεις της ηλικίας των υλικών με βάση τον άνθρακα. Η ηλικία μπορεί να εκτιμηθεί μετρώντας την ποσότητα άνθρακα 14 που υπάρχει σε ένα δείγμα και συγκρίνοντάς την με ένα διεθνές πρότυπο αναφοράς.

Η επίδραση της χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα στον σύγχρονο κόσμο τον έχει καταστήσει μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις του 20ού αιώνα. Τα φυτά και τα ζώα αφομοιώνουν τον άνθρακα 14 από το διοξείδιο του άνθρακα καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Όταν πεθαίνουν, παύουν να ανταλλάσσουν άνθρακα με τη βιόσφαιρα και η περιεκτικότητα σε άνθρακα 14 σε αυτά αρχίζει να μειώνεται με ρυθμό που καθορίζεται από το νόμο της ραδιενεργής διάσπασης.

Η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα είναι ουσιαστικά μια μέθοδος μέτρησης της υπολειπόμενης ραδιενέργειας. Γνωρίζοντας πόσο άνθρακας 14 έχει απομείνει στο δείγμα, μπορείτε να μάθετε την ηλικία του οργανισμού όταν πέθανε. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα της χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα δείχνουν πότε ο οργανισμός ήταν ζωντανός.

Βασικές μέθοδοι μέτρησης ραδιοάνθρακα

Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του άνθρακα 14 σε οποιαδήποτε δεδομένη αναλογική μέτρηση δειγματολήπτη, μετρητή υγρού σπινθηρισμού και φασματομετρία μάζας επιταχυντή.

Η αναλογική μέτρηση αερίων είναι μια κοινή τεχνική ραδιομετρικής χρονολόγησης που λαμβάνει υπόψη τα σωματίδια βήτα που εκπέμπονται από ένα δεδομένο δείγμα. Τα σωματίδια βήτα είναι προϊόντα διάσπασης του ραδιοάνθρακα. Σε αυτή τη μέθοδο, το δείγμα άνθρακα μετατρέπεται πρώτα σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα πριν μετρηθεί σε αναλογικούς μετρητές αερίου.

Η μέτρηση του υγρού σπινθηρισμού είναι μια άλλη μέθοδος χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα που ήταν δημοφιλής τη δεκαετία του 1960. Σε αυτή τη μέθοδο, το δείγμα είναι σε υγρή μορφή και προστίθεται σπινθηριστής. Αυτός ο σπινθηριστής δημιουργεί μια λάμψη φωτός όταν αλληλεπιδρά με ένα σωματίδιο βήτα. Ο σωλήνας δείγματος περνά ανάμεσα σε δύο φωτοπολλαπλασιαστές και όταν και οι δύο συσκευές καταγράφουν μια λάμψη φωτός, γίνεται μια καταμέτρηση.

Οφέλη της Πυρηνικής Επιστήμης

Οι νόμοι των πυρηνικών αντιδράσεων χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα κλάδων της επιστήμης και της τεχνολογίας, όπως η ιατρική, η ενέργεια, η γεωλογία, το διάστημα και η προστασία του περιβάλλοντος. Η πυρηνική ιατρική και η ακτινολογία είναι ιατρικές πρακτικές που περιλαμβάνουν τη χρήση ακτινοβολίας ή ραδιενέργειας για τη διάγνωση, τη θεραπεία και την πρόληψη ασθενειών. Ενώ η ακτινολογία χρησιμοποιείται για σχεδόν έναν αιώνα, ο όρος «πυρηνική ιατρική» άρχισε να χρησιμοποιείται πριν από περίπου 50 χρόνια.

Η πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες και είναι μια από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες επιλογές ενέργειας για χώρες που αναζητούν λύσεις ενεργειακής ασφάλειας και χαμηλών εκπομπών ρύπων.

Οι αρχαιολόγοι χρησιμοποιούν ένα ευρύ φάσμα πυρηνικών μεθόδων για να προσδιορίσουν την ηλικία των αντικειμένων. Αντικείμενα όπως η Σινδόνη του Τορίνο, οι χειρόγραφοι της Νεκράς Θάλασσας και το Στέμμα του Καρλομάγνου μπορούν να χρονολογηθούν και να επικυρωθούν χρησιμοποιώντας πυρηνικές τεχνικές.

Οι πυρηνικές τεχνικές χρησιμοποιούνται στις αγροτικές κοινότητες για την καταπολέμηση των ασθενειών. Οι ραδιενεργές πηγές χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία εξόρυξης. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται σε μη καταστρεπτικές δοκιμές μπλοκαρισμάτων σε αγωγούς και συγκολλήσεις, στη μέτρηση της πυκνότητας του διάτρητου υλικού.

Η πυρηνική επιστήμη παίζει πολύτιμο ρόλο βοηθώντας μας να κατανοήσουμε την ιστορία του περιβάλλοντός μας.

Όπως οι χημικές αντιδράσεις, οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορεί να είναι ενδόθερμες και εξώθερμες.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις χωρίζονται σε αντιδράσεις διάσπασης και σε αντιδράσεις σύντηξης. Ένας ειδικός τύπος πυρηνικής αντίδρασης είναι η πυρηνική σχάση. Ο χρονισμός της πυρηνικής διάσπασης και της πυρηνικής σχάσης σημαίνει εντελώς διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων [ ].

1. Ιστορία

Η πρώτη τεχνητά επαγόμενη πυρηνική αντίδραση παρατηρήθηκε το έτος από τον Ernest Rutherford, ακτινοβολώντας άζωτο με σωματίδια άλφα. Η αντίδραση προχώρησε σύμφωνα με το σχήμα

2. Νόμοι διατήρησης στις πυρηνικές αντιδράσεις

Κατά τη διάρκεια των πυρηνικών αντιδράσεων, πληρούνται οι γενικοί νόμοι διατήρησης της ενέργειας, της ορμής, της γωνιακής ορμής και του ηλεκτρικού φορτίου.

Επιπλέον, υπάρχει ένας αριθμός ειδικών νόμων διατήρησης που είναι εγγενείς στην πυρηνική αλληλεπίδραση, για παράδειγμα, ο νόμος διατήρησης του φορτίου βαρυονίου.

3. Ενεργειακή απόδοση μιας πυρηνικής αντίδρασης

Εάν το άθροισμα των υπόλοιπων μαζών των σωματιδίων στην αντίδραση είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των υπόλοιπων μαζών των σωματιδίων μετά την αντίδραση, τότε μια τέτοια αντίδραση συμβαίνει με την απελευθέρωση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται ενεργειακή απόδοση μιας πυρηνικής αντίδρασης. Η ενεργειακή απόδοση μιας πυρηνικής αντίδρασης υπολογίζεται με τον τύπο ΔE = Δmc 2, όπου Δm είναι το ελάττωμα μάζας, c είναι η ταχύτητα του φωτός.

4. Είδη πυρηνικών αντιδράσεων

4.1. Αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης

Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης, σχηματίζονται νέοι, βαρύτεροι πυρήνες από ελαφρούς πυρήνες στοιχείων.

Συνήθως, οι αντιδράσεις σύντηξης είναι δυνατές μόνο υπό συνθήκες όπου οι πυρήνες έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια, αφού οι δυνάμεις ηλεκτροστατικής απώθησης εμποδίζουν την προσέγγιση εξίσου φορτισμένων πυρήνων, δημιουργώντας το λεγόμενο Φράγμα Coulomb.

Τεχνητά, αυτό μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων, στους οποίους ιόντα, πρωτόνια ή α-σωματίδια επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο, ή θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, όπου τα ιόντα μιας ουσίας αποκτούν κινητική ενέργεια λόγω θερμικής κίνησης. Στην τελευταία περίπτωση, μιλάμε για μια αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης.

4.1.1. Πυρηνική σύντηξη στη φύση

Στη φύση, οι αντιδράσεις σύντηξης ξεκίνησαν τα πρώτα λεπτά μετά το Big Bang. Κατά τη διάρκεια της πρωτογενούς πυρηνοσύνθεσης, μόνο ορισμένοι ελαφροί πυρήνες (δευτέριο, ήλιο, λίθιο) σχηματίστηκαν από πρωτόνια.
Τώρα οι πυρηνικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στους πυρήνες των άστρων, για παράδειγμα, στον Ήλιο. Η κύρια διαδικασία είναι ο σχηματισμός ενός πυρήνα ηλίου από τέσσερα πρωτόνια, ο οποίος μπορεί να συμβεί είτε σε μια αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου είτε στον κύκλο Bethe-Weizsäcker.

Σε αστέρια των οποίων η μάζα υπερβαίνει το μισό M ☉, μπορούν να σχηματιστούν άλλα, βαρύτερα στοιχεία. Αυτή η διαδικασία ξεκινά με το σχηματισμό πυρήνων άνθρακα σε μια τριπλή αντίδραση α. Οι πυρήνες που προκύπτουν αλληλεπιδρούν με πρωτόνια και α-σωματίδια και έτσι σχηματίζουν χημικά στοιχεία μέχρι την κορυφή του σιδήρου.

Ο σχηματισμός βαρέων πυρήνων (από τον σίδηρο έως το Βισμούθιο) συμβαίνει στα κελύφη των άστρων με αρκετά μεγάλη μάζα στο στάδιο του κόκκινου γίγαντα, κυρίως λόγω της διαδικασίας s και, εν μέρει, λόγω της διαδικασίας p. Οι πυρήνες Navagchi (ασταθή) σχηματίζονται κατά τις εκρήξεις σουπερνόβα.

4.2. Αντιδράσεις πυρηνικής διάσπασης

Οι αντιδράσεις αποσύνθεσης οφείλονται σε ραδιενέργεια άλφα και βήτα. Κατά τη διάσπαση άλφα, ένα σωματίδιο άλφα 4 He πετάει έξω από τον πυρήνα και ο αριθμός μάζας και ο αριθμός φορτίου του πυρήνα αλλάζουν σε 4 και 2, αντίστοιχα. Κατά τη διάσπαση βήτα, ένα ηλεκτρόνιο ή ένα ποζιτρόνιο πετάει έξω από τον πυρήνα, ο μαζικός αριθμός του πυρήνα δεν αλλάζει και ο αριθμός φορτίου αυξάνεται ή μειώνεται κατά 1. Και οι δύο τύποι διάσπασης συμβαίνουν αυθόρμητα.

4.3. Πυρηνική διάσπαση

Ένας μικρός αριθμός ισοτόπων είναι ικανός για σχάση - μια αντίδραση στην οποία ο πυρήνας χωρίζεται σε δύο μεγάλα μέρη. Μπορεί να πραγματοποιηθεί πυρηνική σχάση αυθόρμητα,Έτσι αναγκαστικά- υπό την επίδραση άλλων σωματιδίων, κυρίως - νετρονίων.

χρόνια, αποκαλύφθηκε ότι οι πυρήνες του ουρανίου-235 είναι ικανοί όχι μόνο αυθόρμητη σχάση(σε δύο ελαφρούς πυρήνες) με απελευθέρωση ενέργειας ~ 200 MeV και εκπομπή δύο ή τριών νετρονίων, αλλά και σε αναγκαστική διαίρεση,πυροδοτείται από νετρόνια. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ως αποτέλεσμα ενός τέτοιου διαχωρισμού, εκπέμπονται και νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν νέες αντιδράσεις αναγκαστικής σχάσης γειτονικών πυρήνων ουρανίου, η πιθανότητα μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης έχει γίνει εμφανής. Μια τέτοια αντίδραση δεν συμβαίνει στη φύση μόνο επειδή το φυσικό ουράνιο αποτελείται από το 99,3% του ισοτόπου ουρανίου-238 και μόνο το ουράνιο-235, το οποίο μόνο το 0,7% περιέχεται στο φυσικό ουράνιο, είναι ικανό να διασπαστεί.

Ο μηχανισμός μιας αντίδρασης πυρηνικής σχάσης είναι ο ακόλουθος. Οι πυρηνικές δυνάμεις μέσω της αλληλεπίδρασης εικονικών σωματιδίων ανταλλαγής (στις περισσότερες περιπτώσεις συμβαίνει αλληλεπίδραση πιονίου-νουκλεονίου) έχουν μη κεντρικό χαρακτήρα. Αυτό σημαίνει ότι τα νουκλεόνια δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν ταυτόχρονα με όλα τα νουκλεόνια στον πυρήνα, ειδικά σε πυρήνες πολλαπλών νουκλεονίων. Με μεγάλο αριθμό νουκλεονίων στον πυρήνα, αυτό προκαλεί μια ασυμμετρία στην πυκνότητα των πυρηνικών δυνάμεων και μια περαιτέρω ασυμμετρία στον δεσμό νουκλεονίων και, κατά συνέπεια, μια ασυμμετρία στην ενέργεια έναντι του όγκου του πυρήνα. Ο πυρήνας αποκτά σχήμα που διαφέρει σημαντικά από το σφαιρικό. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτονίων μπορεί να προσεγγίσει την ισχυρή αλληλεπίδραση από την άποψη της ενέργειας.

Έτσι, λόγω ασυμμετρίας, ξεπερνιέται το ενεργειακό φράγμα της σχάσης και ο πυρήνας διασπάται σε ελαφρύτερους πυρήνες που έχουν ασύμμετρη μάζα.

Μερικές φορές ο πυρήνας μπορεί να εισχωρήσει σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας.

5. Πυρηνικές αντιδράσεις στην ανθρώπινη ζωή

5.1. Ατομική βόμβα

Η αλυσιδωτή αντίδραση της σχάσης των ατομικών πυρήνων τον εικοστό αιώνα άρχισε να χρησιμοποιείται σε ατομικές βόμβες. Λόγω του γεγονότος ότι για μια έντονη πυρηνική αντίδραση είναι απαραίτητο να υπάρχει μια κρίσιμη μάζα (η μάζα που απαιτείται για την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης), τότε για να πραγματοποιηθεί μια ατομική έκρηξη συνδυάζονται πολλά μέρη με μάζες μικρότερες από την κρίσιμη , σχηματίζεται μια υπερκρίσιμη μάζα και λαμβάνει χώρα μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας - συμβαίνει μια ατομική έκρηξη.

5.2. Πυρηνικός αντιδραστήρας

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας της πυρηνικής διάσπασης σε ηλεκτρική ενέργεια. Ως καύσιμο στον αντιδραστήρα, χρησιμοποιείται ένα μείγμα ισοτόπων ουρανίου-235 και ουρανίου-238 ή πλουτωνίου-239. Όταν γρήγορα νετρόνια χτυπούν τον πυρήνα ενός ατόμου ουρανίου-238, μετατρέπεται σε πλουτώνιο-239 και η επακόλουθη διάσπασή του με την απελευθέρωση ενέργειας. Η διαδικασία μπορεί να είναι κυκλική, αλλά αυτό απαιτεί αντιδραστήρες που λειτουργούν με γρήγορα νετρόνια. Τώρα, το νουκλίδιο του ουρανίου-235 χρησιμοποιείται ως κύριο συστατικό στους αντιδραστήρες. Για την αλληλεπίδρασή του με τα γρήγορα νετρόνια, πρέπει να επιβραδυνθούν. Πώς να χρησιμοποιήσετε έναν επιβραδυντή:

Ανάλογα με τον τύπο του νερού που χρησιμοποιείται στους αντιδραστήρες, D 2 O ή H 2 O, οι αντιδραστήρες χωρίζονται σε βαρύ νερόκαι ελαφρύ νερόαντίστοιχα. Σε αντιδραστήρες βαρέος νερού, το νουκλίδιο ουρανίου-238 χρησιμοποιείται ως καύσιμο, σε αντιδραστήρες ελαφρού νερού - Ουράνιο-235. Ράβδοι ελέγχου που περιέχουν ισότοπα βορίου ή καδμίου χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της αντίδρασης διάσπασης και τη διακοπή της. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης αφαιρείται από το ψυκτικό υγρό. Ως εκ τούτου, θερμαίνεται, και όταν μπαίνει στο νερό, το θερμαίνει, μετατρέποντάς το σε ατμό (συχνά το ίδιο το νερό είναι το ψυκτικό υγρό). Ο ατμός αναστρέφει έναν ατμοστρόβιλο που περιστρέφει τον ρότορα ενός εναλλάκτη.