Ядролық реакция (NR) - атом ядросының басқа атомның ядросымен ұсақталуы немесе қосылуы арқылы өзгеретін процесс. Осылайша, ол кем дегенде бір нуклидтің екіншісіне айналуына әкелуі керек. Кейде, егер ядро басқа ядромен немесе бөлшекпен кез келген нуклидтің табиғатын өзгертпестен әрекеттессе, бұл процесті ядролық шашырау деп атайды. Жұлдыздар мен күннің энергиясын өндіруге әсер ететін жеңіл элементтердің синтез реакциялары ең маңызды болуы мүмкін. Табиғи реакциялар ғарыштық сәулелердің затпен әрекеттесуінде де жүреді.
Табиғи ядролық реактор
Адам басқаратын ең маңызды реакция - ядролық реакторларда болатын бөліну реакциясы. Бұл ядролық тізбекті реакцияны бастауға және басқаруға арналған құрылғылар. Бірақ жасанды реакторлар ғана емес. Әлемдегі алғашқы табиғи ядролық реакторды 1972 жылы Габондағы Окло қаласында француз физигі Фрэнсис Перрен ашқан.
Ядролық реакцияның табиғи энергиясын өндіруге болатын жағдайларды 1956 жылы Пол Кадзуо Курода болжаған. жалғыз белгілі жерәлем осы түрдегі өзін-өзі қамтамасыз ететін реакциялар орын алған 16 учаскеден тұрады. Бұл шамамен 1,7 миллиард жыл бұрын болған және бірнеше жүз мың жыл бойы жалғасқан деп есептеледі, бұған ксенон изотоптары (бөлу өнімі газы) және U-235/U-238 (табиғи уранды байыту) қатынасының әртүрлі көрсеткіштері куә.
Ядроның бөлінуі
Байланыстырушы энергия графигі массасы 130 a.m.u-ден асатын нуклидтерді көрсетеді. жеңілірек және тұрақтырақ нуклидтер түзу үшін бір-бірінен өздігінен бөлінуі керек. Эксперименттік түрде ғалымдар ядролық реакция элементтерінің өздігінен бөліну реакциялары тек массалық саны 230 немесе одан да көп ауыр нуклидтер үшін ғана жүретінін анықтады. Бұл жасалса да, ол өте баяу. 238 U өздігінен бөлінуінің жартылай шығарылу кезеңі, мысалы, 10-16 жыл немесе планетамыздың жасынан шамамен екі миллион есе көп! Бөліну реакцияларын ауыр нуклидтердің үлгілерін баяу термиялық нейтрондармен сәулелендіру арқылы индукциялауға болады. Мысалы, 235 U термиялық нейтронды жұтқанда, ол біркелкі емес массасы бар екі бөлшекке бөлініп, орташа есеппен 2,5 нейтрон шығарады.
238 U нейтронның жұтылуы ядродағы тербелістерді тудырады, ол сұйықтық тамшысы ұсақ тамшыларға ыдырайтыны сияқты, оны фрагменттерге бөлгенше деформациялайды. Атомдық массасы 72 мен 161 а.м. аралығындағы 370-тен астам еншілес нуклидтер. 235U термиялық нейтронмен бөліну кезінде түзіледі, оның ішінде екі өнім,төменде көрсетілген.
Ядролық реакцияның изотоптары, мысалы, уран, индукциялық ыдырауға ұшырайды. Бірақ жалғыз табиғи изотоп 235 U бар болғаны 0,72% көп. Бұл изотоптың индукцияланған ыдырауы бір атомға орта есеппен 200 МэВ немесе 235 U граммына 80 миллион килоджоуль бөледі. Ядролық бөлінудің энергия көзі ретінде тартылуын бұл мәнді табиғи жағдайда бөлінетін 50 кДж/гмен салыстыру арқылы түсінуге болады. газ жанды.
Бірінші ядролық реактор
Бірінші жасанды ядролық реакторды Энрико Ферми және әріптестері Чикаго университетінің футбол стадионында салып, 1942 жылы 2 желтоқсанда пайдалануға берді. Бірнеше киловатт қуат өндіретін бұл реактор 40 тонна уран мен уран оксиді бар текше тордың айналасында қабат-қабат жиналған 385 тонна графит блоктарынан тұратын. Бұл реактордағы 238 U немесе 235 U өздігінен бөлінуі өте аз нейтрондарды өндірді. Бірақ уран жеткілікті болды, сондықтан осы нейтрондардың бірі 235 U ядросының бөлінуін индукциялады, осылайша орта есеппен 2,5 U нейтронды бөлді, бұл тізбекті реакцияда (ядролық реакциялар) қосымша 235 U ядроларының бөлінуін катализеді.
Тізбекті реакцияны ұстап тұру үшін қажет бөлінетін материалдың мөлшері критикалық масса деп аталады. Жасыл көрсеткілер уран ядросының жаңа нейтрондарды шығаратын екі ыдырау фрагментіне бөлінуін көрсетеді. Осы нейтрондардың кейбірі жаңа бөліну реакцияларын (қара көрсеткілер) тудыруы мүмкін. Кейбірнейтрондар басқа процестерде жоғалуы мүмкін (көк көрсеткілер). Қызыл көрсеткілер радиоактивті бөліну фрагменттерінен кейін келетін және жаңа бөліну реакцияларын тудыруы мүмкін кешіктірілген нейтрондарды көрсетеді.
Ядролық реакциялардың белгіленуі
Атомдардың негізгі қасиеттерін, соның ішінде атом нөмірі мен атомдық массасын қарастырайық. Атомдық нөмір - атом ядросындағы протондар саны, ал изотоптардың атомдық саны бірдей, бірақ нейтрондар саны бойынша ерекшеленеді. Егер бастапқы ядролар a және b, ал туынды ядролар c және d деп белгіленсе, онда реакцияны төменде көруге болатын теңдеу арқылы көрсетуге болады.
Қандай ядролық реакциялар толық теңдеулерді қолданудың орнына жеңіл бөлшектер үшін күшін жояды? Көптеген жағдайларда мұндай процестерді сипаттау үшін ықшам пішін пайдаланылады: a (b, c) d c + d шығаратын a + b мәніне тең. Жеңіл бөлшектер жиі қысқартылған: әдетте p протонды, n нейтронды, d дейтеронды, α альфа немесе гелий-4, β бета немесе электрон, γ гамма фотон және т.б.
Ядролық реакциялардың түрлері
Мүмкін мұндай реакциялардың саны өте көп болғанымен, оларды түрі бойынша сұрыптауға болады. Бұл реакциялардың көпшілігі гамма-сәулеленумен бірге жүреді. Міне, кейбір мысалдар:
- Эластикалық шашырау. Мақсатты ядро мен келетін бөлшек арасында энергия тасымалданбаған кезде пайда болады.
- Икемсіз шашырау. Энергияны тасымалдау кезінде пайда болады. Кинетикалық энергиялардағы айырмашылық қозған нуклидте сақталады.
- Реакцияларды түсіру. зарядталған жәнебейтарап бөлшектерді ядролар ұстай алады. Бұл ɣ-сәулелерінің шығарылуымен бірге жүреді. Нейтрондарды ұстау реакциясындағы ядролық реакциялардың бөлшектері радиоактивті нуклидтер (индукцияланған радиоактивтілік) деп аталады.
- Трансмиссия реакциялары. Бір немесе бірнеше бөлшектердің эмиссиясымен жүретін бөлшектің жұтылуын тасымалдау реакциясы деп атайды.
- Бөліну реакциялары. Ядролық бөліну – атом ядросының кішірек бөліктерге (жеңілірек ядроларға) бөліну реакциясы. Бөліну процесі жиі бос нейтрондар мен фотондарды (гамма-сәулелер түрінде) шығарады және үлкен көлемдегі энергияны шығарады.
- Біріктіру реакциялары. Екі немесе одан да көп атом ядроларының өте жоғары жылдамдықпен соқтығысуы және атом ядросының жаңа түрін құру үшін бірігуі кезінде пайда болады. Дейтерий-тритий синтезінің ядролық бөлшектері болашақта энергиямен қамтамасыз ету мүмкіндігіне байланысты ерекше қызығушылық тудырады.
- Бөлу реакциялары. Ядроға энергиясы мен импульсі жеткілікті бөлшек соқтығысқанда, бірнеше кішкене фрагменттерді ыдыратуға немесе оны көптеген фрагменттерге бөлуге болады.
- Қайта реттеу реакциялары. Бұл бір немесе бірнеше бөлшектердің эмиссиясымен жүретін бөлшектің жұтылуы:
- 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
Әртүрлі қайта орналасу реакциялары нейтрондар мен протондар санын өзгертеді.
Ядролық ыдырау
Ядролық реакциялар тұрақсыз атом энергияны жоғалтқанда пайда боладырадиация. Бұл жалғыз атомдар деңгейіндегі кездейсоқ процесс, өйткені кванттық теорияға сәйкес жеке атомның қашан ыдырауын болжау мүмкін емес.
Радиактивті ыдыраудың көптеген түрлері бар:
- Альфа радиоактивтілігі. Альфа бөлшектері гелий ядросына ұқсас бөлшекпен байланысқан екі протон мен екі нейтроннан тұрады. Өте үлкен массасы мен зарядының арқасында ол материалды қатты иондандырады және өте қысқа диапазонға ие.
- Бета радиоактивтілік. Бұл калий-40 сияқты радиоактивті ядролардың кейбір түрлерінен шығарылатын жоғары энергиялы, жоғары жылдамдықты позитрондар немесе электрондар. Бета-бөлшектердің ену диапазоны альфа-бөлшектерге қарағанда үлкен, бірақ бәрібір гамма-сәулелерге қарағанда әлдеқайда аз. Шығарылған бета бөлшектері ядролық тізбекті реакция бета сәулелері ретінде белгілі иондаушы сәулеленудің бір түрі болып табылады. Бета бөлшектерін өндіру бета ыдырау деп аталады.
- Гамма-радиактивтілік. Гамма-сәулелері өте жоғары жиілікті электромагниттік сәулелену болып табылады, сондықтан жоғары энергиялы фотондар болып табылады. Олар жоғары энергиялы күйден гамма-ыдырау деп аталатын төменгі күйге өткен кезде ядролардың ыдырауы кезінде пайда болады. Көптеген ядролық реакциялар гамма-сәулеленумен бірге жүреді.
- Нейтрондардың эмиссиясы. Нейтронды эмиссия – құрамында артық нейтрондар (әсіресе бөліну өнімдері) бар ядролардың радиоактивті ыдырауының бір түрі, онда нейтрон ядродан жай ғана шығарылады. Бұл түрірадиация ядролық реакторларды басқаруда маңызды рөл атқарады, себебі бұл нейтрондар кешіктіріледі.
Энергия
Ядролық реакция энергиясының Q-мәні – реакция кезінде бөлінген немесе жұтылған энергия мөлшері. Ол энергия балансы немесе реакцияның Q-мәні деп аталады. Бұл энергия өнімнің кинетикалық энергиясы мен әрекеттесуші зат мөлшері арасындағы айырмашылық ретінде көрсетіледі.
Реакцияның жалпы көрінісі: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), мұндағы x және X әрекеттесуші заттар, ал у және Y - ядролық реакцияның энергиясын анықтай алатын реакция өнімі, Q - энергия балансы.
Q-мәні NR реакцияда бөлінген немесе жұтылған энергияны білдіреді. Оны NR энергия балансы деп те атайды, ол табиғатқа байланысты оң немесе теріс болуы мүмкін.
Егер Q-мәні оң болса, реакция экзотермиялық болады, оны экзоэргиялық деп те атайды. Ол энергияны шығарады. Q-мәні теріс болса, реакция эндотермиялық немесе эндотермиялық. Мұндай реакциялар энергияны жұту арқылы жүзеге асады.
Ядролық физикада мұндай реакциялар бастапқы әрекеттесуші заттар мен соңғы өнімдердің массаларының қосындысы арасындағы айырмашылық ретінде Q-мәні арқылы анықталады. Ол МэВ энергия бірліктерімен өлшенеді. А снаряды мен нысанасы А екі өнімге B және b түсетін әдеттегі реакцияны қарастырыңыз.
Мұны былай өрнектеуге болады: a + A → B + B, тіпті ықшам жазуда - A (a, b) B. Ядролық реакциядағы энергия түрлері және бұл реакцияның мәніформула бойынша анықталады:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, бұл соңғы өнімдердің артық кинетикалық энергиясымен сәйкес келеді:
Q=T финал - T бастапқы
Өнімдердің кинетикалық энергиясының жоғарылауы байқалатын реакциялар үшін Q оң болады. Оң Q реакциялары экзотермиялық (немесе экзогендік) деп аталады.
Энергияның таза бөлінуі бар, өйткені соңғы күйдің кинетикалық энергиясы бастапқы күйден үлкен. Өнімдердің кинетикалық энергиясының төмендеуі байқалатын реакциялар үшін Q теріс болады.
Жартылай шығарылу кезеңі
Радиактивті заттың жартылай ыдырау периоды тән тұрақты шама. Ол белгілі бір мөлшердегі заттың ыдырауы, демек, радиацияның екі есе азаюы үшін қажетті уақытты өлшейді.
Археологтар мен геологтар органикалық нысандардың жартылай ыдырау кезеңін көміртегімен танысу деп аталатын процесте пайдаланады. Бета-ыдырау кезінде көміртегі 14 азот 14-ке айналады. Өлім кезінде организмдер көміртегі 14 өндіруді тоқтатады. Жартылай ыдырау периоды тұрақты болғандықтан, көміртегі 14 пен азот 14 қатынасы үлгі жасының өлшемін береді.
Медицина саласында ядролық реакциялардың энергия көздері кейінірек хирургиялық жолмен жойылатын ісіктерді кішірейту немесе жұмыс істемейтін рак клеткаларын өлтіру үшін сәулелік терапия үшін қолданылатын Кобальт 60 радиоактивті изотоптары болып табылады.ісіктер. Ол тұрақты никельге ыдырағанда, ол екі салыстырмалы жоғары энергияны - гамма сәулелерін шығарады. Бүгінде оны электронды сәулелік сәулелік терапия жүйелері алмастыруда.
Кейбір үлгілерден алынған изотоптардың жартылай шығарылу кезеңі:
- оттегі 16 - шексіз;
- уран 238 - 4 460 000 000 жыл;
- уран 235 - 713 000 000 жыл;
- көміртек 14 - 5730 жыл;
- кобальт 60 - 5, 27 жас;
- күміс 94 - 0,42 секунд.
Радиокөміртекті анықтау
Өте тұрақты жылдамдықпен тұрақсыз көміртегі 14 бірте-бірте көміртегі 12-ге ыдырайды. Бұл көміртегі изотоптарының арақатынасы Жердегі ең кәрі тұрғындардың жасын көрсетеді.
Радиокөміртекті анықтау – көміртегі негізіндегі материалдардың жасын объективті бағалауды қамтамасыз ететін әдіс. Жасты үлгідегі көміртегі 14 мөлшерін өлшеу және оны халықаралық стандарт анықтамасымен салыстыру арқылы анықтауға болады.
Радиокөміртекті анықтаудың қазіргі әлемге әсері оны 20 ғасырдың ең маңызды жаңалықтарының біріне айналдырды. Өсімдіктер мен жануарлар өмір бойы көмірқышқыл газынан көміртегі 14-ті сіңіреді. Олар өлгеннен кейін биосферамен көміртегі алмасуын тоқтатады және олардың құрамындағы көміртегі 14 радиоактивті ыдырау заңымен анықталған жылдамдықпен азая бастайды.
Радиокөміртекті анықтау негізінен қалдық радиоактивтілікті өлшеу әдісі болып табылады. Үлгіде қанша көміртегі 14 қалғанын біле отырып, сіз біле аласызорганизмнің өлген кездегі жасы. Айта кету керек, радиокөміртекті анықтау нәтижелері ағзаның қай кезде тірі болғанын көрсетеді.
Радиокөміртекті өлшеудің негізгі әдістері
Кез келген берілген сынама алушының пропорционалды есептерінде, сұйық сцинтилляция есептегішінде және үдеткіш масс-спектрометрияда көміртегі 14 өлшеу үшін үш негізгі әдіс қолданылады.
Пропорционалды газды санау – берілген үлгі шығаратын бета бөлшектерін есепке алатын радиометриялық танысу әдісі. Бета бөлшектер - радиокөміртектің ыдырау өнімдері. Бұл әдісте көміртегі үлгісі газ пропорционалды өлшегіштерде өлшенбес бұрын алдымен көмірқышқыл газына айналады.
Сцинтилляциялық сұйықтықты санау - 1960 жылдары танымал болған радиокөміртекті анықтаудың тағы бір әдісі. Бұл әдісте үлгі сұйық күйде болады және сцинтиллятор қосылады. Бұл сцинтиллятор бета-бөлшекпен әрекеттескенде жарық жарқылын жасайды. Үлгі түтігі екі фотокөбейткіштің арасында өтеді және екі құрылғы да жарық жарқылын тіркеген кезде санау жүргізіледі.
Ядролық ғылымның пайдасы
Ядролық реакциялардың заңдылықтары ғылым мен техниканың медицина, энергетика, геология, ғарыш және қоршаған ортаны қорғау сияқты кең ауқымды салаларында қолданылады. Ядролық медицина және радиология диагностика, емдеу және алдын алу үшін радиацияны немесе радиоактивтілікті қолдануды қамтитын медициналық тәжірибе болып табылады.аурулар. Радиология ғасырға жуық уақыт бойы қолданылып келе жатқанымен, «ядролық медицина» термині шамамен 50 жыл бұрын қолданыла бастады.
Атом энергиясы ондаған жылдар бойы қолданылып келеді және ол энергия қауіпсіздігі мен төмен шығарындылар энергиясын үнемдеу шешімдерін іздейтін елдер үшін ең жылдам дамып келе жатқан энергия нұсқаларының бірі болып табылады.
Археологтар заттардың жасын анықтау үшін кең ауқымды ядролық әдістерді қолданады. Турин жамылғысы, Өлі теңіз шиыршықтары және Ұлы Карл тәжі сияқты артефактілердің күнін белгілеп, ядролық әдістер арқылы түпнұсқалығын тексеруге болады.
Ауыл шаруашылығы қауымдастықтарында аурумен күресу үшін ядролық әдістер қолданылады. Радиоактивті көздер тау-кен өнеркәсібінде кеңінен қолданылады. Мысалы, олар құбырлар мен дәнекерленген тігістердегі бітелулерді бұзбай сынауда, тесілген материалдың тығыздығын өлшеуде қолданылады.
Ядролық ғылым қоршаған ортаның тарихын түсінуге көмектесуде маңызды рөл атқарады.
