Jaderná reakce (NR) – proces, při kterém se jádro atomu mění rozdrcením nebo spojením s jádrem jiného atomu. Musí tedy vést k přeměně alespoň jednoho nuklidu na jiný. Někdy, pokud jádro interaguje s jiným jádrem nebo částicí, aniž by se změnila povaha jakéhokoli nuklidu, je tento proces označován jako jaderný rozptyl. Snad nejpozoruhodnější jsou fúzní reakce světelných prvků, které ovlivňují produkci energie hvězd a Slunce. K přirozeným reakcím dochází také při interakci kosmického záření s hmotou.
Přírodní jaderný reaktor
Nejpozoruhodnější člověkem řízená reakce je štěpná reakce, ke které dochází v jaderných reaktorech. Jedná se o zařízení pro iniciaci a řízení jaderné řetězové reakce. Nejsou tu ale jen umělé reaktory. První přírodní jaderný reaktor na světě objevil v roce 1972 v Oklo v Gabonu francouzský fyzik Francis Perrin.
Podmínky, za kterých by mohla vzniknout přirozená energie jaderné reakce, předpověděl v roce 1956 Paul Kazuo Kuroda. Jediné známé místo vsvět se skládá z 16 míst, ve kterých probíhaly samoudržující reakce tohoto typu. Předpokládá se, že to bylo asi před 1,7 miliardami let a pokračovalo několik set tisíc let, jak dokazují izotopy xenonu (plyn štěpného produktu) a různé poměry U-235/U-238 (přirozené obohacení uranu).
Jaderné štěpení
Graf vazebné energie naznačuje, že nuklidy s hmotností větší než 130 am.u. by se měly od sebe samovolně oddělit a vytvořit lehčí a stabilnější nuklidy. Experimentálně vědci zjistili, že ke spontánním štěpným reakcím prvků jaderné reakce dochází pouze u nejtěžších nuklidů s hmotnostním číslem 230 a více. I když se to dělá, je to velmi pomalé. Poločas rozpadu spontánního štěpení 238 U je například 10-16 let, tedy asi dva milionykrát delší, než je stáří naší planety! Štěpné reakce lze vyvolat ozařováním vzorků těžkých nuklidů pomalými tepelnými neutrony. Například, když 235 U absorbuje tepelný neutron, rozpadne se na dvě částice nestejné hmotnosti a uvolní průměrně 2,5 neutronu.
Absorpce neutronu 238 U vyvolává v jádře vibrace, které je deformují, až se rozpadne na úlomky, stejně jako se kapka kapaliny může roztříštit na menší kapičky. Více než 370 dceřiných nuklidů s atomovou hmotností mezi 72 a 161 am.u. vznikají při štěpení tepelným neutronem 235U, včetně dvou produktů,zobrazeno níže.
Izotopy jaderné reakce, jako je uran, podléhají indukovanému štěpení. Ale jediný přirozený izotop 235 U je přítomen v hojnosti pouze 0,72 %. Indukované štěpení tohoto izotopu uvolňuje v průměru 200 MeV na atom, neboli 80 milionů kilojoulů na gram 235 U. Přitažlivost jaderného štěpení jako zdroje energie lze pochopit porovnáním této hodnoty s 50 kJ/g uvolněnými při přirozeném spaluje se plyn.
První jaderný reaktor
První umělý jaderný reaktor postavil Enrico Fermi a jeho spolupracovníci pod fotbalovým stadionem University of Chicago a byl uveden do provozu 2. prosince 1942. Tento reaktor, který produkoval několik kilowattů energie, sestával z hromady 385 tun grafitových bloků naskládaných ve vrstvách kolem kubické mřížky 40 tun uranu a oxidu uranu. Spontánní štěpení 238 U nebo 235 U v tomto reaktoru produkovalo velmi málo neutronů. Ale uranu bylo dost, takže jeden z těchto neutronů vyvolal štěpení jádra 235 U, čímž se uvolnilo v průměru 2,5 neutronu, což katalyzovalo štěpení dalších 235 U jader v řetězové reakci (jaderné reakce).
Množství štěpného materiálu potřebné k udržení řetězové reakce se nazývá kritické množství. Zelené šipky ukazují štěpení jádra uranu na dva štěpné fragmenty emitující nové neutrony. Některé z těchto neutronů mohou vyvolat nové štěpné reakce (černé šipky). Některý zneutrony mohou být ztraceny v jiných procesech (modré šipky). Červené šipky ukazují zpožděné neutrony, které dorazí později z radioaktivních štěpných fragmentů a mohou spustit nové štěpné reakce.
Označení jaderných reakcí
Podívejme se na základní vlastnosti atomů, včetně atomového čísla a atomové hmotnosti. Atomové číslo je počet protonů v jádře atomu a izotopy mají stejné atomové číslo, ale liší se počtem neutronů. Pokud jsou počáteční jádra označena a a b a jádra produktu jsou označena c a d, pak lze reakci znázornit rovnicí, kterou můžete vidět níže.
Které jaderné reakce ruší lehké částice namísto použití úplných rovnic? V mnoha situacích se k popisu takových procesů používá kompaktní forma: a (b, c) d je ekvivalentní a + b produkující c + d. Světelné částice se často zkracují: obvykle p znamená proton, n neutron, d deuteron, α alfa nebo helium-4, β beta nebo elektron, γ foton gama atd.
Typy jaderných reakcí
I když je počet možných takových reakcí obrovský, lze je třídit podle typu. Většina těchto reakcí je doprovázena gama zářením. Zde je několik příkladů:
- Elastický rozptyl. Nastává, když se mezi cílovým jádrem a přicházející částicí nepřenáší žádná energie.
- Nepružný rozptyl. Vyskytuje se při přenosu energie. Rozdíl v kinetických energiích je u excitovaného nuklidu zachován.
- Zachyťte reakce. oba nabité aneutrální částice mohou být zachyceny jádry. To je doprovázeno emisí ɣ-paprsků. Částice jaderných reakcí v reakci zachycení neutronů se nazývají radioaktivní nuklidy (indukovaná radioaktivita).
- Přenosové reakce. Absorpce částice, doprovázená emisí jedné nebo více částic, se nazývá přenosová reakce.
- Štěpné reakce. Jaderné štěpení je reakce, při které se jádro atomu rozštěpí na menší kousky (lehčí jádra). Proces štěpení často produkuje volné neutrony a fotony (ve formě gama záření) a uvolňuje velké množství energie.
- Fúzní reakce. Vznikají, když se dvě nebo více atomových jader srazí velmi vysokou rychlostí a spojí se za vzniku nového typu atomového jádra. Deuterium-tritium fúzní jaderné částice jsou zvláště zajímavé, protože mají potenciál poskytovat energii v budoucnosti.
- Rozdělující reakce. Vyskytuje se, když je jádro zasaženo částicí s dostatečnou energií a hybností, aby vyrazila několik malých úlomků nebo je rozbila na mnoho úlomků.
- Reakce přeskupení. Jedná se o absorpci částice doprovázenou emisí jedné nebo více částic:
- 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
Různé přeskupovací reakce mění počet neutronů a počet protonů.
Jaderný rozpad
Jaderné reakce nastávají, když nestabilní atom ztrácí energiizáření. Jde o náhodný proces na úrovni jednotlivých atomů, protože podle kvantové teorie nelze předpovědět, kdy se jednotlivý atom rozpadne.
Existuje mnoho typů radioaktivního rozpadu:
- Alfa radioaktivita. Alfa částice se skládají ze dvou protonů a dvou neutronů spojených dohromady s částicí identickou s jádrem helia. Díky své velmi velké hmotnosti a náboji silně ionizuje materiál a má velmi krátký dosah.
- Beta radioaktivita. Jsou to vysokoenergetické, vysokorychlostní pozitrony nebo elektrony, emitované z určitých typů radioaktivních jader, jako je draslík-40. Částice beta mají větší penetrační rozsah než částice alfa, ale stále mnohem menší než paprsky gama. Vyvržené beta částice jsou formou ionizujícího záření, známého také jako beta paprsky jaderné řetězové reakce. Produkce beta částic se nazývá beta rozpad.
- Radioaktivita gama. Gama paprsky jsou elektromagnetické záření o velmi vysoké frekvenci, a jsou tedy fotony s vysokou energií. Vznikají, když se jádra rozpadají, když přecházejí z vysokoenergetického stavu do nižšího stavu známého jako gama rozpad. Většina jaderných reakcí je doprovázena gama zářením.
- Emise neutronů. Emise neutronů je druh radioaktivního rozpadu jader obsahujících přebytečné neutrony (zejména štěpné produkty), při kterém je neutron jednoduše vyvržen z jádra. Tenhle typradiace hraje klíčovou roli při řízení jaderných reaktorů, protože tyto neutrony jsou zpožděné.
Energie
Q-hodnota energie jaderné reakce je množství energie uvolněné nebo absorbované během reakce. Říká se tomu energetická bilance nebo Q-hodnota reakce. Tato energie je vyjádřena jako rozdíl mezi kinetickou energií produktu a množstvím reaktantu.
Obecný pohled na reakci: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), kde x a X jsou reaktanty a y a Y je reakční produkt, který může určit energii jaderné reakce, Q je energetická bilance.
Hodnota Q NR označuje energii uvolněnou nebo absorbovanou při reakci. Říká se jí také energetická bilance NR, která může být kladná nebo záporná v závislosti na povaze.
Pokud je Q-hodnota kladná, reakce bude exotermická, nazývaná také exoergická. Uvolňuje energii. Pokud je Q-hodnota negativní, je reakce endoergní nebo endotermická. Takové reakce se provádějí pohlcováním energie.
V jaderné fyzice jsou takové reakce definovány pomocí Q-hodnoty jako rozdílu mezi součtem hmotností počátečních reaktantů a konečných produktů. Měří se v energetických jednotkách MeV. Zvažte typickou reakci, při které střela a a cíl A povolí dva produkty B a b.
To lze vyjádřit takto: a + A → B + B, nebo i kompaktnějším zápisem - A (a, b) B. Druhy energií v jaderné reakci a význam této reakceurčeno vzorcem:
Q=[m a + m A - (mb + m B)] c 2, který se shoduje s přebytečnou kinetickou energií konečných produktů:
Q=T konečné – T počáteční
U reakcí, při kterých dochází ke zvýšení kinetické energie produktů, je Q kladné. Pozitivní Q reakce se nazývají exotermické (nebo exogenní).
Dochází k čistému uvolnění energie, protože kinetická energie konečného stavu je větší než ve stavu počátečním. Pro reakce, ve kterých je pozorován pokles kinetické energie produktů, je Q záporné.
Poločas rozpadu
Poločas rozpadu radioaktivní látky je charakteristická konstanta. Měří dobu potřebnou k tomu, aby se dané množství hmoty zredukovalo na polovinu rozpadem a tím i zářením.
Archeologové a geologové používají poločas rozpadu k datování na organických objektech v procesu známém jako uhlíkové datování. Během beta rozpadu se uhlík 14 přemění na dusík 14. V době smrti přestanou organismy produkovat uhlík 14. Protože poločas rozpadu je konstantní, poměr uhlíku 14 k dusíku 14 poskytuje měřítko stáří vzorku.
V oblasti medicíny jsou energetickými zdroji jaderných reakcí radioaktivní izotopy kob altu 60, který se používá k radiační terapii ke zmenšení nádorů, které budou později chirurgicky odstraněny, nebo k zabití rakovinných buněk v nefunkčníchnádory. Když se rozpadne na stabilní nikl, vyzařuje dvě relativně vysoké energie - gama záření. Dnes je nahrazována radioterapeutickými systémy s elektronovým paprskem.
Poločas izotopu z některých vzorků:
- kyslík 16 - nekonečno;
- uran 238 – 4 460 000 000 let;
- uran 235 - 713 000 000 let;
- uhlík 14 – 5 730 let;
- kob alt 60–5, 27 let;
- stříbrná 94 – 0,42 sekundy.
Radiokarbonová seznamka
Velmi stálou rychlostí se nestabilní uhlík 14 postupně rozkládá na uhlík 12. Poměr těchto izotopů uhlíku odhaluje věk některých nejstarších obyvatel Země.
Radiokarbonové datování je metoda, která poskytuje objektivní odhady stáří materiálů na bázi uhlíku. Věk lze odhadnout změřením množství uhlíku 14 přítomného ve vzorku a jeho porovnáním s mezinárodní standardní referencí.
Vliv radiokarbonového datování na moderní svět z něj udělal jeden z nejvýznamnějších objevů 20. století. Rostliny a zvířata během svého života asimilují uhlík 14 z oxidu uhličitého. Když zemřou, přestanou si vyměňovat uhlík s biosférou a jejich obsah uhlíku 14 začne klesat rychlostí určenou zákonem radioaktivního rozpadu.
Radiokarbonové datování je v podstatě metoda měření zbytkové radioaktivity. Když víte, kolik uhlíku 14 zbývá ve vzorku, můžete to zjistitstáří organismu, kdy zemřel. Je třeba poznamenat, že výsledky radiokarbonového datování ukazují, kdy byl organismus naživu.
Základní metody měření radioaktivního uhlíku
Existují tři hlavní metody používané k měření uhlíku 14 v jakémkoli daném proporcionálním výpočtu vzorkovače, kapalinovém scintilačním počítači a hmotnostní spektrometrii urychlovače.
Proporcionální počítání plynů je běžná radiometrická datovací technika, která bere v úvahu beta částice emitované daným vzorkem. Beta částice jsou produkty rozpadu radiokarbonu. Při této metodě se vzorek uhlíku nejprve převede na plynný oxid uhličitý, než se změří v plynových proporcionálních měřičích.
Scintilační kapalinové počítání je další metodou radiokarbonového datování, která byla populární v 60. letech 20. století. Při této metodě je vzorek v kapalné formě a je přidán scintilátor. Tento scintilátor vytváří záblesk světla, když interaguje s beta částicí. Zkumavka se vzorkem prochází mezi dvěma fotonásobiči a když obě zařízení zaregistrují záblesk světla, provede se počítání.
Výhody jaderné vědy
Zákony jaderných reakcí se používají v celé řadě odvětví vědy a techniky, jako je medicína, energetika, geologie, vesmír a ochrana životního prostředí. Nukleární medicína a radiologie jsou lékařské postupy, které zahrnují použití záření nebo radioaktivity pro diagnostiku, léčbu a prevenci.nemocí. Zatímco radiologie se používá již téměř století, termín „nukleární medicína“se začal používat asi před 50 lety.
Jaderná energie se používá po desetiletí a je jednou z nejrychleji rostoucích energetických možností pro země, které hledají energetickou bezpečnost a řešení úspory energie s nízkými emisemi.
Archeologové používají k určení stáří objektů širokou škálu jaderných metod. Artefakty, jako je Turínský plátno, svitky od Mrtvého moře a koruna Karla Velikého, lze datovat a ověřit pomocí jaderných technik.
V zemědělských komunitách se k boji s nemocemi používají jaderné techniky. Radioaktivní zdroje jsou široce používány v těžebním průmyslu. Používají se například při nedestruktivním testování ucpání potrubí a svarů, při měření hustoty raženého materiálu.
Jaderná věda hraje cennou roli v tom, že nám pomáhá porozumět historii našeho životního prostředí.
