Nüvə reaksiyası (NR) - bir atomun nüvəsinin başqa bir atomun nüvəsi ilə əzilməsi və ya birləşməsi nəticəsində dəyişməsi prosesi. Beləliklə, ən azı bir nuklidin digərinə çevrilməsinə səbəb olmalıdır. Bəzən bir nüvə hər hansı bir nüvənin təbiətini dəyişdirmədən başqa bir nüvə və ya hissəciklə qarşılıqlı əlaqədə olarsa, bu proses nüvə səpilməsi adlanır. Bəlkə də ən diqqət çəkəni ulduzların və günəşin enerji istehsalına təsir edən işıq elementlərinin birləşmə reaksiyalarıdır. Təbii reaksiyalar kosmik şüaların maddə ilə qarşılıqlı təsirində də baş verir.
Təbii nüvə reaktoru
İnsan tərəfindən idarə olunan ən diqqətəlayiq reaksiya nüvə reaktorlarında baş verən parçalanma reaksiyasıdır. Bunlar nüvə zəncirvari reaksiyanı başlatmaq və idarə etmək üçün cihazlardır. Ancaq burada təkcə süni reaktorlar yoxdur. Dünyanın ilk təbii nüvə reaktoru 1972-ci ildə Qabonun Oklo şəhərində fransız fiziki Frensis Perrin tərəfindən kəşf edilib.
Nüvə reaksiyasının təbii enerjisinin yarana biləcəyi şərtlər 1956-cı ildə Paul Kazuo Kuroda tərəfindən proqnozlaşdırılmışdır. Bilinən yeganə yerdünya bu tip öz-özünə davam edən reaksiyaların baş verdiyi 16 saytdan ibarətdir. Bunun təxminən 1,7 milyard il əvvəl olduğu və bir neçə yüz min il davam etdiyi güman edilir, bunu ksenon izotopları (parçalanma məhsulu qazı) və U-235/U-238 (təbii uranın zənginləşdirilməsi) nisbətlərinin dəyişməsi sübut edir.
Nüvə parçalanması
Bağlayıcı enerji sxemi 130 a.m.u-dan çox kütləsi olan nuklidlərin olduğunu göstərir. daha yüngül və daha sabit nuklidlər əmələ gətirmək üçün bir-birindən kortəbii ayrılmalıdır. Alimlər eksperimental olaraq müəyyən ediblər ki, nüvə reaksiyasının elementlərinin kortəbii parçalanma reaksiyaları yalnız kütləsi 230 və ya daha çox olan ən ağır nuklidlər üçün baş verir. Bu edilsə belə, çox ləng gedir. Məsələn, 238 U-nun kortəbii parçalanmasının yarı ömrü 10-16 ildir və ya planetimizin yaşından təxminən iki milyon dəfə uzundur! Parçalanma reaksiyaları ağır nuklidlərin nümunələrinin yavaş termal neytronlarla şüalanması ilə baş verə bilər. Məsələn, 235 U termal neytronu udduqda o, qeyri-bərabər kütləli iki hissəcikə parçalanır və orta hesabla 2,5 neytron buraxır.
238 U neytronun udulması nüvədə titrəmələrə səbəb olur ki, bu da onu parçalara ayrılana qədər deformasiya edir, necə ki, maye damcısı daha kiçik damlacıqlara parçalana bilir. 72 ilə 161 a.m.u arasında atom kütləsi olan 370-dən çox qız nüvəsi. iki məhsul daxil olmaqla 235U termal neytron tərəfindən parçalanma zamanı əmələ gəlir,aşağıda göstərilmişdir.
Nüvə reaksiyasının izotopları, məsələn, uran induksiyalı parçalanmaya məruz qalır. Ancaq yeganə təbii izotop 235 U yalnız 0,72% bolluqda mövcuddur. Bu izotopun induksiya olunmuş parçalanması hər bir atom üçün orta hesabla 200 MeV və ya 235 U-nin qramı üçün 80 milyon kilojoul buraxır. Nüvə parçalanmasının enerji mənbəyi kimi cəlb olunmasını bu dəyəri təbii şəraitdə buraxılan 50 kJ/q ilə müqayisə etməklə başa düşmək olar. qaz yandı.
İlk nüvə reaktoru
İlk süni nüvə reaktoru Enriko Fermi və həmkarları tərəfindən Çikaqo Universitetinin futbol stadionunun nəzdində tikilmiş və 2 dekabr 1942-ci ildə istifadəyə verilmişdir. Bir neçə kilovatlıq enerji istehsal edən bu reaktor 40 ton uran və uran oksidindən ibarət bir kub qəfəsin ətrafında təbəqələrə yığılmış 385 ton qrafit blok yığınından ibarət idi. Bu reaktorda 238 U və ya 235 U-nun kortəbii parçalanması çox az neytron istehsal etdi. Lakin orada kifayət qədər uran var idi, ona görə də bu neytronlardan biri 235 U nüvəsinin parçalanmasına səbəb oldu və bununla da orta hesabla 2,5 neytron buraxdı və bu, zəncirvari reaksiyada (nüvə reaksiyaları) əlavə 235 U nüvənin parçalanmasını katalizlədi.
Zəncirvari reaksiyanı davam etdirmək üçün lazım olan parçalanan materialın miqdarına kritik kütlə deyilir. Yaşıl oxlar uran nüvəsinin yeni neytronlar buraxan iki parçalanma parçasına parçalanmasını göstərir. Bu neytronların bəziləri yeni parçalanma reaksiyalarına (qara oxlar) səbəb ola bilər. Bəzineytronlar digər proseslərdə itirilə bilər (mavi oxlar). Qırmızı oxlar radioaktiv parçalanma fraqmentlərindən sonra gələn və yeni parçalanma reaksiyalarına səbəb ola biləcək gecikmiş neytronları göstərir.
Nüvə reaksiyalarının təyini
Gəlin atomların əsas xüsusiyyətlərinə, o cümlədən atom nömrəsinə və atom kütləsinə baxaq. Atom nömrəsi bir atomun nüvəsindəki protonların sayıdır və izotoplar eyni atom nömrəsinə malikdir, lakin neytronların sayında fərqlənir. Əgər ilkin nüvələr a və b, məhsul nüvələri isə c və d ilə işarələnibsə, onda reaksiya aşağıda görə biləcəyiniz tənlik ilə göstərilə bilər.
Hansı nüvə reaksiyaları tam tənliklərdən istifadə etmək əvəzinə yüngül hissəciklər üçün ləğv edilir? Bir çox hallarda belə prosesləri təsvir etmək üçün yığcam formadan istifadə olunur: a (b, c) d c + d hasil edən a + b-yə bərabərdir. İşıq hissəcikləri çox vaxt qısaldılır: adətən p proton, n neytron, d deytron, α alfa və ya helium-4, β beta və ya elektron, γ qamma fotonu və s.
Nüvə reaksiyalarının növləri
Mümkün bu cür reaksiyaların sayı çox olsa da, onları növə görə sıralamaq olar. Bu reaksiyaların əksəriyyəti qamma şüalanması ilə müşayiət olunur. Budur bəzi nümunələr:
- Elastik səpilmə. Hədəf nüvə ilə gələn hissəcik arasında heç bir enerji ötürülmədikdə baş verir.
- Elastik səpilmə. Enerji ötürüldükdə baş verir. Kinetik enerjilərdəki fərq həyəcanlanmış nüvədə saxlanılır.
- Reaksiyaları çəkin. həm yüklənmiş, həm dəneytral hissəciklər nüvələr tərəfindən tutula bilər. Bu, ɣ-şüalarının emissiyası ilə müşayiət olunur. Neytron tutma reaksiyasındakı nüvə reaksiyalarının hissəciklərinə radioaktiv nuklidlər (induksiya edilmiş radioaktivlik) deyilir.
- Ötürülmə reaksiyaları. Bir və ya bir neçə hissəciyin emissiyası ilə müşayiət olunan hissəciyin udulmasına transfer reaksiyası deyilir.
- Bölünmə reaksiyaları. Nüvə parçalanması bir atomun nüvəsinin daha kiçik hissələrə (daha yüngül nüvələrə) parçalanması reaksiyasıdır. Parçalanma prosesi tez-tez sərbəst neytronlar və fotonlar (qamma şüaları şəklində) istehsal edir və böyük miqdarda enerji buraxır.
- Füzyon reaksiyaları. İki və ya daha çox atom nüvəsi çox yüksək sürətlə toqquşduqda və birləşərək yeni tip atom nüvəsini əmələ gətirdikdə baş verir. Deyterium-tritium sintezi nüvə hissəcikləri gələcəkdə enerji təmin etmək potensialına görə xüsusi maraq doğurur.
- Parçalanma reaksiyaları. Nüvə bir neçə kiçik fraqmenti çıxarmaq və ya onu çoxlu fraqmentlərə ayırmaq üçün kifayət qədər enerji və impulslu hissəciklə vurulduqda baş verir.
- Yenidən düzülmə reaksiyaları. Bu, bir və ya bir neçə hissəciyin emissiyası ilə müşayiət olunan hissəciyin udulmasıdır:
- 197Au (s, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Müxtəlif yenidən qurulma reaksiyaları neytronların sayını və protonların sayını dəyişir.
Nüvə parçalanması
Nüvə reaksiyaları qeyri-sabit atom enerji itirdiyi zaman baş verirradiasiya. Bu, tək atomlar səviyyəsində təsadüfi bir prosesdir, çünki kvant nəzəriyyəsinə görə fərdi atomun nə vaxt parçalanacağını proqnozlaşdırmaq mümkün deyil.
Radioaktiv parçalanmanın bir çox növləri var:
- Alfa radioaktivliyi. Alfa hissəcikləri helium nüvəsi ilə eyni hissəciklə birləşən iki proton və iki neytrondan ibarətdir. Çox böyük kütləsi və yükü sayəsində materialı güclü şəkildə ionlaşdırır və çox qısa diapazona malikdir.
- Beta radioaktivliyi. Bu, müəyyən növ radioaktiv nüvələrdən, məsələn, kalium-40-dan yayılan yüksək enerjili, yüksək sürətli pozitronlar və ya elektronlardır. Beta hissəcikləri alfa hissəciklərindən daha böyük nüfuz diapazonuna malikdir, lakin yenə də qamma şüalarından daha azdır. Atılan beta hissəcikləri nüvə zəncirvari reaksiya beta şüaları kimi də tanınan ionlaşdırıcı şüalanmanın bir formasıdır. Beta hissəciklərinin istehsalına beta parçalanması deyilir.
- Qamma radioaktivliyi. Qamma şüaları çox yüksək tezlikli elektromaqnit şüalanmadır və buna görə də yüksək enerjili fotonlardır. Onlar nüvələr yüksək enerjili vəziyyətdən qamma parçalanması kimi tanınan daha aşağı vəziyyətə keçərkən parçalandıqda əmələ gəlir. Əksər nüvə reaksiyaları qamma şüalanması ilə müşayiət olunur.
- Neytron emissiyası. Neytron emissiyası, artıq neytronları (xüsusilə parçalanma məhsulları) ehtiva edən nüvələrin radioaktiv parçalanmasının bir növüdür, bu zaman neytron sadəcə nüvədən atılır. Bu tipradiasiya nüvə reaktorlarının idarə edilməsində əsas rol oynayır, çünki bu neytronlar gecikir.
Enerji
Nüvə reaksiyasının enerjisinin Q-qiyməti reaksiya zamanı ayrılan və ya udulan enerjinin miqdarıdır. Buna enerji balansı və ya reaksiyanın Q-qiyməti deyilir. Bu enerji məhsulun kinetik enerjisi ilə reaktivin miqdarı arasındakı fərq kimi ifadə edilir.
Reaksiyanın ümumi görünüşü: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), burada x və X reaktivlərdir və y və Y nüvə reaksiyasının enerjisini təyin edə bilən reaksiya məhsuludur, Q enerji balansıdır.
Q-dəyəri NR reaksiyada ayrılan və ya udulan enerjiyə aiddir. O, həmçinin təbiətdən asılı olaraq müsbət və ya mənfi ola bilən NR enerji balansı adlanır.
Q-dəyəri müsbət olarsa, reaksiya ekzotermik olacaq, buna ekzoerjik də deyilir. Enerji buraxır. Q-dəyəri mənfi olarsa, reaksiya endoerjik və ya endotermikdir. Bu cür reaksiyalar enerji udmaqla həyata keçirilir.
Nüvə fizikasında bu cür reaksiyalar ilkin reaktivlərin kütlələrinin cəmi ilə son məhsullar arasındakı fərq kimi Q-qiyməti ilə müəyyən edilir. MeV enerji vahidləri ilə ölçülür. A mərmisinin və A hədəfinin iki B və b məhsulunu əldə etdiyi tipik reaksiyanı nəzərdən keçirək.
Bunu belə ifadə etmək olar: a + A → B + B, hətta daha yığcam qeydlə - A (a, b) B. Nüvə reaksiyasında enerji növləri və bu reaksiyanın mənasıformula ilə müəyyən edilir:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, son məhsulların artıq kinetik enerjisi ilə üst-üstə düşür:
Q=T final - T başlanğıc
Məhsulların kinetik enerjisində artım olan reaksiyalar üçün Q müsbətdir. Müsbət Q reaksiyaları ekzotermik (və ya ekzogen) adlanır.
Son vəziyyətin kinetik enerjisi ilkin vəziyyətdən daha böyük olduğundan, enerjinin xalis buraxılması var. Məhsulların kinetik enerjisində azalmanın müşahidə olunduğu reaksiyalar üçün Q mənfidir.
Yarım ömrü
Radioaktiv maddənin yarı ömrü xarakterik sabitdir. O, müəyyən miqdarda maddənin çürümə və buna görə də radiasiya nəticəsində yarıya qədər azalması üçün tələb olunan vaxtı ölçür.
Arxeoloqlar və geoloqlar karbon tarixçəsi kimi tanınan prosesdə üzvi cisimlərin bu günə qədər olan yarı ömründən istifadə edirlər. Beta-parçalanma zamanı karbon 14 azot 14-ə çevrilir. Ölüm zamanı orqanizmlər karbon 14 istehsalını dayandırır. Yarımparçalanma dövrü sabit olduğundan, karbon 14-ün azot 14-ə nisbəti nümunənin yaşının ölçüsünü təmin edir.
Tibb sahəsində nüvə reaksiyalarının enerji mənbələri Kob alt 60-ın radioaktiv izotoplarıdır ki, bu izotoplar radiasiya terapiyası üçün sonradan cərrahi yolla çıxarılacaq şişləri kiçiltmək və ya işləməyən yerdə xərçəng hüceyrələrini öldürmək üçün istifadə olunur.şişlər. Sabit nikelə parçalandıqda, iki nisbətən yüksək enerji - qamma şüaları buraxır. Bu gün onu elektron şüa şüa terapiyası sistemləri əvəz edir.
Bəzi nümunələrdən izotopun yarı ömrü:
- oksigen 16 - sonsuz;
- uran 238 - 4.460.000.000 il;
- uran 235 - 713.000.000 il;
- karbon 14 - 5730 il;
- kob alt 60 - 5, 27 yaş;
- gümüş 94 - 0,42 saniyə.
Radiokarbonla tanışlıq
Çox sabit sürətlə, qeyri-sabit karbon 14 tədricən karbon 12-yə parçalanır. Bu karbon izotoplarının nisbəti Yerin ən yaşlı sakinlərinin bəzilərinin yaşını göstərir.
Radiokarbonla tanışlıq karbon əsaslı materialların yaşının obyektiv təxminlərini təmin edən bir üsuldur. Yaşı nümunədə mövcud olan karbon 14 miqdarını ölçməklə və onu beynəlxalq standart istinadla müqayisə etməklə təxmin etmək olar.
Radiokarbonla tanışlığın müasir dünyaya təsiri onu 20-ci əsrin ən əhəmiyyətli kəşflərindən birinə çevirdi. Bitkilər və heyvanlar həyatları boyu karbon qazından karbon 14-ü mənimsəyirlər. Onlar öldükdə biosferlə karbon mübadiləsini dayandırırlar və onların karbon 14 tərkibi radioaktiv parçalanma qanunu ilə müəyyən edilən sürətlə azalmağa başlayır.
Radiokarbonla tanışlıq mahiyyətcə qalıq radioaktivliyin ölçülməsi üsuludur. Nümunədə nə qədər karbon 14 qaldığını bilməklə, öyrənə bilərsinizorqanizmin öldüyü zaman yaşı. Qeyd edək ki, radiokarbonla tanışlığın nəticələri orqanizmin nə vaxt sağ olduğunu göstərir.
Radiokarbonun ölçülməsi üçün əsas üsullar
Hər hansı bir nümunə götürən mütənasib hesablamada, maye parıltı sayğacında və sürətləndirici kütlə spektrometriyasında karbon 14-ü ölçmək üçün üç əsas üsul istifadə olunur.
Proporsional qazın hesablanması müəyyən bir nümunə tərəfindən buraxılan beta hissəciklərini nəzərə alan ümumi radiometrik tanışlıq texnikasıdır. Beta hissəcikləri radiokarbonun parçalanma məhsullarıdır. Bu üsulda karbon nümunəsi qaz proporsional sayğaclarında ölçülməzdən əvvəl əvvəlcə karbon qazına çevrilir.
Fırıldayan mayenin hesablanması 1960-cı illərdə məşhur olan başqa bir radiokarbon təyinetmə üsuludur. Bu üsulda nümunə maye formada olur və sintillyator əlavə edilir. Bu sintilator beta hissəciyi ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda işıq parıltısı yaradır. Nümunə borusu iki fotoçoğ altıcı arasında keçirilir və hər iki cihaz işıq çaxmasını qeyd etdikdə hesablama aparılır.
Nüvə Elminin Faydaları
Nüvə reaksiyalarının qanunları tibb, enerji, geologiya, kosmos və ətraf mühitin mühafizəsi kimi elm və texnologiyanın geniş sahələrində istifadə olunur. Nüvə təbabəti və radiologiya diaqnostika, müalicə və profilaktika üçün radiasiya və ya radioaktivliyin istifadəsini əhatə edən tibbi təcrübələrdir.xəstəliklər. Radiologiya demək olar ki, bir əsrdir istifadə olunsa da, "nüvə təbabəti" termini təxminən 50 il əvvəl istifadə olunmağa başladı.
Nüvə enerjisi onilliklərdir istifadə olunur və enerji təhlükəsizliyi və aşağı emissiya enerjisinə qənaət həlləri axtaran ölkələr üçün ən sürətlə inkişaf edən enerji seçimlərindən biridir.
Arxeoloqlar obyektlərin yaşını təyin etmək üçün geniş spektrli nüvə üsullarından istifadə edirlər. Turin Kəfəni, Ölü Dəniz Tumarları və Böyük Böyük Karl tacı kimi artefaktların tarixləri təyin oluna və nüvə texnikalarından istifadə etməklə doğrulana bilər.
Nüvə texnikaları kənd təsərrüfatı icmalarında xəstəliklərlə mübarizə aparmaq üçün istifadə olunur. Radioaktiv mənbələr mədən sənayesində geniş istifadə olunur. Məsələn, onlar boru kəmərlərində və qaynaqlarda tıxanmaların dağıdıcı yoxlanılmasında, zımbalanmış materialın sıxlığının ölçülməsində istifadə olunur.
Nüvə elmi ətraf mühitimizin tarixini anlamağımıza kömək etməkdə dəyərli rol oynayır.
