Ядролук реакция (NR) - атомдун ядросу башка атомдун ядросу менен майдалануу же кошулуу жолу менен өзгөрүүчү процесс. Ошентип, ал жок дегенде бир нуклиддин башкасына айланышына алып келиши керек. Кээде, эгерде ядро кандайдыр бир нуклиддин табиятын өзгөртпөстөн, башка ядро же бөлүкчө менен өз ара аракеттенсе, процесс ядролук чачыратуу деп аталат. Балким, эң көрүнүктүүлөрү жылдыздардын жана күндүн энергия өндүрүшүнө таасир этүүчү жарык элементтеринин биригүү реакциялары. Табигый реакциялар космостук нурлардын зат менен өз ара аракетинде да болот.
Табигый ядролук реактор
Адам тарабынан башкарылуучу эң көрүнүктүү реакция бул өзөктүк реакторлордо пайда болгон бөлүнүү реакциясы. Бул ядролук чынжыр реакциясын баштоо жана башкаруу үчүн түзүлүштөр. Бирок жасалма реакторлор гана эмес. Дүйнөдөгү биринчи табигый өзөктүк реактор 1972-жылы Габондун Окло шаарында француз физиги Фрэнсис Перрен тарабынан ачылган.
Ядролук реакциянын табигый энергиясы пайда боло турган шарттарды 1956-жылы Пол Кадзуо Курода алдын ала айткан. Бир гана белгилүү жердүйнө бул түрдөгү өзүн-өзү камсыз кылуучу реакциялар болгон 16 сайттан турат. Бул болжол менен 1,7 миллиард жыл мурун болгон жана бир нече жүз миң жылдар бою уланган деп эсептелинет, муну ксенон изотоптору (бөлүнүүчү газ) жана U-235/U-238дин (табигый уранды байытуу) ар кандай катыштары тастыктайт.
Ядролук бөлүнүү
Байланыштуу энергия графиги массасы 130 a.m.u чоңураак нуклиддер экенин көрсөтүп турат. жеңилирээк жана туруктуу нуклиддерди пайда кылуу үчүн бири-биринен өзүнөн-өзү бөлүнүшү керек. Эксперименттик жол менен окумуштуулар ядролук реакциянын элементтеринин стихиялык бөлүнүү реакциялары массалык саны 230 же андан көп болгон эң оор нуклиддерде гана болоорун аныкташкан. Бул жасалса да, абдан жай. 238 U өзүнөн-өзү бөлүнүү үчүн жарым ажыроо мезгили, мисалы, 10-16 жыл, же биздин планетанын жашынан эки миллион эсе көп! Бөлүнүү реакциялары оор нуклиддердин үлгүлөрүн жай термикалык нейтрондор менен нурлантуу аркылуу ишке ашырылышы мүмкүн. Мисалы, 235 U жылуулук нейтронду сиңиргенде, ал бирдей эмес массадагы эки бөлүкчөлөргө бөлүнүп, орточо эсеп менен 2,5 нейтронду бөлүп чыгарат.
238 U нейтрондун жутулушу ядродо термелүүлөрдү жаратат, ал суюктуктун бир тамчысы майда тамчыларга талкалангандай, ал фрагменттерге ажыраганга чейин деформацияланат. 72 жана 161 a.m.u ортосунда атомдук массалары менен 370 кызы nuclides ашуун. термикалык нейтрон 235U тарабынан бөлүнүү учурунда пайда болот, анын ичинде эки продукт,төмөндө көрсөтүлгөн.
Уран сыяктуу ядролук реакциянын изотоптору индукцияланган бөлүнүүгө дуушар болушат. Бирок жападан жалгыз табигый изотоп 235 U 0,72% гана көп кездешет. Бул изотоптун индукцияланган бөлүнүшү бир атомдо орточо 200 МэВ, же 235 U граммына 80 миллион киложоуль бөлүп чыгарат. Ядролук бөлүнүүнүн энергия булагы катары тартылышын бул маанини табигый кезде бөлүнүп чыккан 50 кДж/г менен салыштыруу аркылуу түшүнүүгө болот. газ күйүп жатат.
Биринчи ядролук реактор
Биринчи жасалма ядролук реактор Чикаго университетинин футбол стадионунун алдында Энрико Ферми жана кесиптештери тарабынан курулуп, 1942-жылы 2-декабрда ишке киргизилген. Бир нече киловатт кубаттуулукту өндүргөн бул реактор 40 тонна уран жана уран оксиди болгон куб торчонун айланасына кабат-кабат тизилген 385 тонна графит блокторунан турган. Бул реактордо 238 U же 235 U стихиялык бөлүнүү өтө аз нейтрондорду чыгарган. Бирок уран жетиштүү болчу, ошондуктан бул нейтрондордун бири 235 U ядронун бөлүнүшүн шарттады, ошону менен орто эсеп менен 2,5 U нейтронду бөлүп чыгарды, бул чынжыр реакциясында (ядролук реакциялар) кошумча 235 U ядронун бөлүнүшүн катализдешти.
Чынжырлуу реакцияны камсыз кылуу үчүн зарыл болгон бөлүнүүчү материалдын саны критикалык масса деп аталат. Жашыл жебелер урандын ядросунун жаңы нейтрондорду чыгарган эки бөлүнүү фрагменттерине бөлүнүшүн көрсөтөт. Бул нейтрондордун кээ бирлери жаңы бөлүнүү реакцияларын (кара жебелер) жаратышы мүмкүн. Кээ бирнейтрондор башка процесстерде жоголуп кетиши мүмкүн (көк жебелер). Кызыл жебелер радиоактивдүү бөлүнүү фрагменттеринен кийинчерээк келип, жаңы бөлүнүү реакцияларын козгой турган кечиктирилген нейтрондорду көрсөтөт.
Ядролук реакцияларды белгилөө
Келгиле, атомдордун негизги касиеттерин, анын ичинде атомдук номерди жана атомдук массаны карайлы. Атомдук номер - бул атомдун ядросундагы протондордун саны, ал эми изотоптордун атомдук саны бирдей, бирок нейтрондордун саны боюнча айырмаланат. Эгерде баштапкы ядролор a жана b, ал эми продуктунун ядролору c жана d деп белгиленсе, анда реакцияны төмөндө көрө турган теңдеме менен көрсөтүүгө болот.
Кайсы ядролук реакциялар толук теңдемелерди колдонуунун ордуна жеңил бөлүкчөлөр үчүн жокко чыгарат? Көптөгөн жагдайларда мындай процесстерди сүрөттөө үчүн компакт форма колдонулат: a (b, c) d a + b түзүүчү c + d менен барабар. Жарык бөлүкчөлөр көбүнчө кыскартылган: адатта p протонду, n нейтронду, d дейтеронду, α альфа же гелий-4, β бета же электрон, γ гамма фотон ж.б.
Ядролук реакциялардын түрлөрү
Мүмкүн болгон мындай реакциялардын саны абдан көп болсо да, аларды түрүнө жараша иреттөөгө болот. Бул реакциялардын көбү гамма нурлануу менен коштолот. Бул жерде кээ бир мисалдар:
- Эластикалык чачыратуу. Максаттуу ядро менен келген бөлүкчө ортосунда эч кандай энергия өткөрүлбөй калганда пайда болот.
- Ийкемсиз чачыроо. Энергия которулганда пайда болот. Кинетикалык энергиялардын айырмасы дүүлүккөн нуклидде сакталат.
- Реакцияларды тартуу. да заряддалган жананейтралдуу бөлүкчөлөр ядролор тарабынан кармалышы мүмкүн. Бул ɣ-нурлардын эмиссиясы менен коштолот. Нейтронду кармоо реакциясындагы ядролук реакциялардын бөлүкчөлөрү радиоактивдүү нуклиддер (индукцияланган радиоактивдүүлүк) деп аталат.
- Өтүү реакциялары. Бир же бир нече бөлүкчөлөрдүн эмиссиясы менен коштолгон бөлүкчөнүн жутулушу өткөрүп берүү реакциясы деп аталат.
- Бөлүнүү реакциялары. Ядролук бөлүнүү – атомдун ядросунун майда бөлүктөргө (жеңилирээк ядролорго) бөлүнүү реакциясы. Бөлүнүү процесси көбүнчө эркин нейтрондорду жана фотондорду (гамма нурлар түрүндө) пайда кылып, чоң көлөмдөгү энергияны бөлүп чыгарат.
- Фьюзиялык реакциялар. Эки же андан көп атомдук ядролор өтө чоң ылдамдыкта кагылышып, жаңы типтеги атом ядросун пайда кылуу үчүн биригип жатканда пайда болот. Дейтерий-тритий синтези өзөктүк бөлүкчөлөрү келечекте энергия менен камсыз кылуу мүмкүнчүлүгүнөн улам өзгөчө кызыгууну жаратат.
- Бөлүнүүчү реакциялар. Ядрону бир нече кичинекей фрагменттерди жок кылууга же аны көптөгөн фрагменттерге бөлүүгө жетиштүү энергиясы жана импульсу бар бөлүкчө урганда пайда болот.
- Кайра жөнгө салуу реакциялары. Бул бир же бир нече бөлүкчөлөрдүн эмиссиясы менен коштолгон бөлүкчөнүн жутулушу:
- 197Au (б, г) 196mAu
- 4Ал (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Ар кандай кайра жайгашуу реакциялары нейтрондордун санын жана протондордун санын өзгөртөт.
Ядролук ажыроо
Ядролук реакциялар туруксуз атом энергияны жоготкондо пайда болотрадиация. Бул жалгыз атомдордун деңгээлиндеги кокустук процесс, анткени кванттык теорияга ылайык, жеке атомдун качан чиришин алдын ала айтуу мүмкүн эмес.
Радиактивдүү ажыроонун көптөгөн түрлөрү бар:
- Альфа радиоактивдүүлүк. Альфа бөлүкчөлөрү гелий ядросуна окшош бөлүкчө менен байланышкан эки протон жана эки нейтрондон турат. Өтө чоң массасы жана заряды болгондуктан, ал материалды катуу иондошот жана өтө кыска диапазонго ээ.
- Бета радиоактивдүүлүк. Бул калий-40 сыяктуу радиоактивдүү ядролордун айрым түрлөрүнөн бөлүнүп чыккан жогорку энергиялуу, ылдам позитрондор же электрондор. Бета бөлүкчөлөрүнүн кирүү диапазону альфа бөлүкчөлөрүнө караганда чоңураак, бирок гамма нурларынан алда канча азыраак. Чыгарылган бета бөлүкчөлөр иондоштуруучу нурлануунун бир түрү, ошондой эле ядролук чынжыр реакциясы бета нурлары деп аталат. Бета бөлүкчөлөрүнүн өндүрүшү бета ажыроо деп аталат.
- Гамма радиоактивдүүлүк. Гамма нурлары - бул өтө жогорку жыштыктагы электромагниттик нурлануу, ошондуктан жогорку энергиялуу фотондор. Алар ядролор жогорку энергиялуу абалдан гамма ажыроо деп аталган төмөнкү абалга өткөндө бузулганда пайда болот. Көпчүлүк ядролук реакциялар гамма нурлануу менен коштолот.
- Нейтрон чыгаруу. Нейтрондук эмиссия – ашыкча нейтрондор (айрыкча бөлүнүү продуктулары) бар ядролордун радиоактивдүү ажыроосунун бир түрү, мында нейтрон ядродон жөн эле чыгарылат. Бул түрүрадиация ядролук реакторлорду башкарууда негизги ролду ойнойт, анткени бул нейтрондор кечигип калат.
Энергия
Ядролук реакциянын энергиясынын Q-мааниси – реакция учурунда бөлүнүп чыккан же жутулган энергиянын саны. Ал энергия балансы же реакциянын Q-баалыгы деп аталат. Бул энергия продуктунун кинетикалык энергиясы менен реагенттин көлөмүнүн ортосундагы айырма катары көрсөтүлөт.
Реакциянын жалпы көрүнүшү: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), мында x жана X реактивдер, жана у жана Y – ядролук реакциянын энергиясын аныктоочу реакция продуктусу, Q – энергия балансы.
Q-маани NR реакцияда бөлүнүп чыккан же сиңген энергияны билдирет. Аны NR энергия балансы деп да аташат, ал табиятына жараша оң же терс болушу мүмкүн.
Эгер Q-мааниси оң болсо, реакция экзотермикалык болот, экзотермикалык деп да аталат. Ал энергияны бөлүп чыгарат. Эгерде Q-мааниси терс болсо, реакция эндотермикалык же эндотермикалык. Мындай реакциялар энергияны сиңирүү аркылуу ишке ашат.
Ядролук физикада мындай реакциялар Q-баалыгы менен аныкталат, бул баштапкы реакцияга кирүүчү заттар менен акыркы продуктылардын массаларынын суммасынын ортосундагы айырма катары. МеВ энергия бирдиктери менен өлчөнөт. Кадимки реакцияны карап көрөлү, анда а жана бутага А снаряды эки B жана b продуктуларына тийет.
Муну төмөнкүчө чагылдырууга болот: a + A → B + B, жадагалса бир топ жыш жазууда - A (a, b) B. Ядролук реакциядагы энергиянын түрлөрү жана бул реакциянын маанисиформула менен аныкталат:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, бул акыркы продукциянын ашыкча кинетикалык энергиясы менен дал келет:
Q=T финал - T башталгыч
Продукциялардын кинетикалык энергиясы көбөйгөн реакциялар үчүн Q оң. Оң Q реакциялары экзотермикалык (же экзогендик) деп аталат.
Энергиянын таза бөлүнүп чыгуусу бар, анткени акыркы абалдын кинетикалык энергиясы баштапкы абалга караганда чоңураак. Продукциялардын кинетикалык энергиясынын азайышы байкалган реакциялар үчүн Q терс болуп саналат.
Жарым ажыроо мөөнөтү
Радиактивдүү заттын жарым ажыроо мезгили мүнөздүү константа. Ал белгилүү бир заттын чирип, демек нурлануу жолу менен эки эсеге кыскарышы үчүн талап кылынган убакытты өлчөйт.
Археологдор жана геологдор органикалык объектилердин жарым ажыроо мезгилин көмүртектүү аныктоо деп аталган процессте колдонушат. Бета ажыроо учурунда көмүртек 14 азот 14кө айланат. Өлгөндө организмдер көмүртек 14 өндүрүүнү токтотот. Жарым ажыроо мезгили туруктуу болгондуктан, көмүртек 14 менен азот 14түн катышы үлгүнүн жашынын өлчөмүн камсыз кылат.
Медицина тармагында ядролук реакциялардын энергия булагы болуп, кийин хирургиялык жол менен алынып салынуучу шишиктерди кичирейтүү үчүн же иштебей турган рак клеткаларын өлтүрүү үчүн нурлануу терапиясы үчүн колдонулган Кобальт 60дын радиоактивдүү изотоптору саналат.шишиктер. Ал туруктуу никельге айланганда, эки салыштырмалуу жогорку энергияны - гамма нурларды бөлүп чыгарат. Бүгүнкү күндө анын ордуна электрондук нурлуу радиотерапия системалары орнотулууда.
Айрым үлгүлөрдөгү изотоптун жарым ажыроо мөөнөтү:
- кычкылтек 16 - чексиз;
- уран 238 - 4.460.000.000 жыл;
- уран 235 - 713 000 000 жыл;
- көмүртек 14 - 5730 жыл;
- кобальт 60 - 5, 27 жаш;
- silver 94 - 0,42 секунд.
Радиокарбонду аныктоо
Өтө туруктуу ылдамдыкта туруксуз көмүртек 14 акырындап көмүртек 12ге ажырайт. Бул көмүртек изотопторунун катышы Жердин эң кары тургундарынын жашын көрсөтөт.
Радиокарбонду аныктоо – бул көмүртектин негизиндеги материалдардын жашын объективдүү баалоочу ыкма. Үлгүдөгү көмүртек 14 көлөмүн өлчөө жана аны эл аралык стандарттык шилтеме менен салыштыруу менен куракты аныктоого болот.
Радиокөмүртектин заманбап дүйнөгө тийгизген таасири аны 20-кылымдын эң маанилүү ачылыштарынын бирине айлантты. Өсүмдүктөр жана жаныбарлар өмүр бою көмүр кычкыл газынан 14 көмүртекти өздөштүрүшөт. Алар өлгөндө биосфера менен көмүртек алмашууну токтотуп, алардын курамындагы көмүртек 14 радиоактивдүү ажыроо мыйзамы тарабынан аныкталган ылдамдыкта азая баштайт.
Радиокарбонду аныктоо негизинен калдык радиоактивдүүлүктү өлчөө ыкмасы болуп саналат. Үлгүдө канча көмүртек 14 калганын билип туруп, биле аласызөлүп калган организмдин жашы. Белгилей кетсек, радиокөмүртектүү аныктоонун жыйынтыгы организмдин качан тирүү болгонун көрсөтөт.
Радиокарбонду өлчөөнүн негизги ыкмалары
Белгиленген үлгүдөгү пропорционалдык эсептөөдө, суюктук сцинтилляция эсептегичинде жана ылдамдатуучу масс-спектрометрияда көмүртек 14ду өлчөө үчүн үч негизги ыкма колдонулат.
Пропорционалдуу газды эсептөө – бул берилген үлгү чыгарган бета бөлүкчөлөрүн эсепке алган радиометрикалык таанышуу ыкмасы. Бета бөлүкчөлөр радиокарбондун ажыроо продуктылары болуп саналат. Бул ыкмада көмүртек үлгүсү газ пропорционалдык өлчөгүчтөрүндө өлчөнгөнгө чейин алгач көмүр кычкыл газына айландырылат.
Сцинтилляциялык суюктуктарды эсептөө 1960-жылдары популярдуу болгон радиокөмүртектин дагы бир ыкмасы. Бул ыкмада үлгү суюк абалда болот жана сцинтиллятор кошулат. Бул сцинтиллятор бета бөлүкчөсү менен өз ара аракеттенгенде жарык жаркырап пайда кылат. Үлгү түтүгү эки фотокөбөйткүчтүн ортосунда өткөрүлөт жана эки түзмөк тең жаркылдаган жарыкты каттаганда, эсептөө жүргүзүлөт.
Ядролук илимдин пайдасы
Ядролук реакциялардын мыйзамдары медицина, энергетика, геология, космос жана айлана-чөйрөнү коргоо сыяктуу илим менен техниканын кеңири тармагында колдонулат. Ядролук медицина жана радиология диагностика, дарылоо жана алдын алуу үчүн радиацияны же радиоактивдүүлүктү колдонууну камтыган медициналык практика болуп саналат.оорулар. Радиология дээрлик бир кылымдан бери колдонулуп келсе, "ядролук медицина" термини болжол менен 50 жыл мурун колдонула баштаган.
Атомдук энергия ондогон жылдардан бери колдонулуп келе жатат жана энергетикалык коопсуздукту жана энергияны үнөмдөөчү аз эмиссияларды издеген өлкөлөр үчүн эң тез өнүгүп келе жаткан энергия варианттарынын бири.
Археологдор объекттердин жашын аныктоо үчүн ядролук ыкмалардын кеңири спектрин колдонушат. Турин кепиндери, Өлүк деңиз түрмөктөрү жана Улуу Карл таажысы сыяктуу артефакттардын датасын тактап, өзөктүк техниканын жардамы менен ырастоого болот.
Ядролук техникалар айыл чарба жамааттарында оору менен күрөшүү үчүн колдонулат. Радиоактивдүү булактар тоо-кен өндүрүшүндө кеңири колдонулат. Мисалы, алар түтүктөрдөгү жана ширетүүлөрдөгү бөгөттөрдү кыйратпай текшерүүдө, тешилүүчү материалдын тыгыздыгын өлчөөдө колдонулат.
Ядролук илим айлана-чөйрөбүздүн тарыхын түшүнүүгө жардам берүү үчүн баалуу роль ойнойт.
