Kernreactie (NR) - een proces waarbij de kern van een atoom verandert door de kern van een ander atoom te verpletteren of te combineren. Het moet dus leiden tot de transformatie van ten minste één nuclide in een andere. Soms, als een kern interageert met een andere kern of deeltje zonder de aard van een nuclide te veranderen, wordt het proces nucleaire verstrooiing genoemd. Misschien wel het meest opvallend zijn de fusiereacties van lichte elementen, die de energieproductie van sterren en de zon beïnvloeden. Natuurlijke reacties vinden ook plaats in de interactie van kosmische straling met materie.
Natuurlijke kernreactor
De meest opvallende door de mens gecontroleerde reactie is de splijtingsreactie die optreedt in kernreactoren. Dit zijn apparaten voor het initiëren en beheersen van een nucleaire kettingreactie. Maar er zijn niet alleen kunstmatige reactoren. 'S Werelds eerste natuurlijke kernreactor werd in 1972 ontdekt in Oklo in Gabon door de Franse natuurkundige Francis Perrin.
De omstandigheden waaronder de natuurlijke energie van een kernreactie zou kunnen worden opgewekt, werden in 1956 voorspeld door Paul Kazuo Kuroda. De enige bekende plaats inwereld bestaat uit 16 locaties waar dit soort zichzelf in stand houdende reacties optraden. Aangenomen wordt dat dit ongeveer 1,7 miljard jaar geleden is geweest en enkele honderdduizenden jaren heeft geduurd, zoals blijkt uit xenon-isotopen (een gas van splijtingsproducten) en variërende verhoudingen van U-235/U-238 (verrijking van natuurlijk uranium).
Kernsplijting
De bindingsenergiegrafiek suggereert dat nucliden met een massa groter dan 130 a.m.u. spontaan van elkaar moeten scheiden om lichtere en stabielere nucliden te vormen. Experimenteel hebben wetenschappers ontdekt dat spontane splijtingsreacties van de elementen van een kernreactie alleen plaatsvinden voor de zwaarste nucliden met een massagetal van 230 of meer. Zelfs als dit wordt gedaan, is het erg traag. De halfwaardetijd voor spontane splijting van 238 U is bijvoorbeeld 10-16 jaar, of ongeveer twee miljoen keer langer dan de leeftijd van onze planeet! Splijtingsreacties kunnen worden geïnduceerd door monsters van zware nucliden te bestralen met langzame thermische neutronen. Wanneer bijvoorbeeld 235 U een thermisch neutron absorbeert, breekt het in twee deeltjes van ongelijke massa en geeft het gemiddeld 2,5 neutronen vrij.
De absorptie van het 238 U-neutron veroorzaakt trillingen in de kern, die deze vervormen totdat deze in fragmenten uiteenv alt, net zoals een druppel vloeistof in kleinere druppeltjes kan versplinteren. Meer dan 370 dochternucliden met atoommassa's tussen 72 en 161 uur 's ochtends. worden gevormd tijdens splijting door een thermisch neutron 235U, inclusief twee producten,hieronder weergegeven.
Isotopen van een kernreactie, zoals uranium, ondergaan geïnduceerde splijting. Maar de enige natuurlijke isotoop 235 U is met slechts 0,72% in overvloed aanwezig. Bij de geïnduceerde splijting van deze isotoop komt gemiddeld 200 MeV per atoom vrij, of 80 miljoen kilojoule per gram 235 U. De aantrekkingskracht van kernsplijting als energiebron kan worden begrepen door deze waarde te vergelijken met de 50 kJ/g die vrijkomt bij natuurlijke gas wordt verbrand.
Eerste kernreactor
De eerste kunstmatige kernreactor werd gebouwd door Enrico Fermi en collega's onder het voetbalstadion van de Universiteit van Chicago en op 2 december 1942 in gebruik genomen. Deze reactor, die enkele kilowatts vermogen produceerde, bestond uit een stapel van 385 ton grafietblokken die in lagen waren gestapeld rond een kubisch rooster van 40 ton uranium en uraniumoxide. Spontane splitsing van 238 U of 235 U in deze reactor produceerde zeer weinig neutronen. Maar er was genoeg uranium, dus veroorzaakte een van deze neutronen de splijting van de 235 U-kern, waarbij gemiddeld 2,5 neutronen vrijkwamen, die de splijting van extra 235 U-kernen katalyseerden in een kettingreactie (kernreacties).
De hoeveelheid splijtbaar materiaal die nodig is om een kettingreactie in stand te houden, wordt kritische massa genoemd. De groene pijlen tonen de splitsing van de uraniumkern in twee splijtingsfragmenten die nieuwe neutronen uitstoten. Sommige van deze neutronen kunnen nieuwe splijtingsreacties veroorzaken (zwarte pijlen). Enkele vanneutronen kunnen verloren gaan in andere processen (blauwe pijlen). Rode pijlen tonen vertraagde neutronen die later arriveren uit radioactieve splijtingsfragmenten en nieuwe splijtingsreacties kunnen veroorzaken.
Aanduiding van kernreacties
Laten we eens kijken naar de basiseigenschappen van atomen, inclusief atoomnummer en atoommassa. Het atoomnummer is het aantal protonen in de kern van een atoom, en isotopen hebben hetzelfde atoomnummer maar verschillen in het aantal neutronen. Als de initiële kernen worden aangeduid met a en b, en de productkernen worden aangeduid met c en d, dan kan de reactie worden weergegeven door de vergelijking die u hieronder kunt zien.
Welke kernreacties heffen lichte deeltjes op in plaats van volledige vergelijkingen te gebruiken? In veel situaties wordt de compacte vorm gebruikt om dergelijke processen te beschrijven: a (b, c) d is gelijk aan a + b en produceert c + d. Lichtdeeltjes worden vaak afgekort: meestal staat p voor proton, n voor neutron, d voor deuteron, α voor alfa of helium-4, β voor bèta of elektron, γ voor gammafoton, enz.
Soorten kernreacties
Hoewel het aantal mogelijke reacties enorm is, kunnen ze op type worden gesorteerd. De meeste van deze reacties gaan gepaard met gammastraling. Hier zijn enkele voorbeelden:
- Elastische verstrooiing. Doet zich voor wanneer er geen energie wordt overgedragen tussen de doelkern en het binnenkomende deeltje.
- Inelastische verstrooiing. Vindt plaats wanneer energie wordt overgedragen. Het verschil in kinetische energieën blijft behouden in de aangeslagen nuclide.
- Reacties vastleggen. zowel opgeladen alsneutrale deeltjes kunnen worden gevangen door kernen. Dit gaat gepaard met de emissie van ɣ-stralen. De deeltjes van kernreacties in de neutronenvangstreactie worden radioactieve nucliden (geïnduceerde radioactiviteit) genoemd.
- Transmissiereacties. De absorptie van een deeltje, vergezeld van de emissie van een of meer deeltjes, wordt een overdrachtsreactie genoemd.
- Splijtingsreacties. Kernsplijting is een reactie waarbij de kern van een atoom in kleinere stukjes (lichtere kernen) wordt gesplitst. Bij het splijtingsproces komen vaak vrije neutronen en fotonen vrij (in de vorm van gammastraling) en komen grote hoeveelheden energie vrij.
- Fusion reacties. Vindt plaats wanneer twee of meer atoomkernen met een zeer hoge snelheid botsen en samen een nieuw type atoomkern vormen. Deuterium-tritium fusie kerndeeltjes zijn van bijzonder belang vanwege hun potentieel om in de toekomst energie te leveren.
- Splitsende reacties. Doet zich voor wanneer een kern wordt geraakt door een deeltje met voldoende energie en momentum om een paar kleine fragmenten uit te schakelen of het in veel fragmenten te breken.
- Herschikkingsreacties. Dit is de absorptie van een deeltje, vergezeld van de emissie van een of meer deeltjes:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Hij (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Verschillende herschikkingsreacties veranderen het aantal neutronen en het aantal protonen.
Kernverval
Kernreacties treden op wanneer een onstabiel atoom energie verliest doorstraling. Het is een willekeurig proces op het niveau van enkele atomen, omdat het volgens de kwantumtheorie onmogelijk is te voorspellen wanneer een individueel atoom zal vervallen.
Er zijn veel soorten radioactief verval:
- Alfa-radioactiviteit. Alfadeeltjes bestaan uit twee protonen en twee neutronen die aan elkaar zijn gebonden met een deeltje dat identiek is aan een heliumkern. Door zijn zeer grote massa en zijn lading ioniseert het het materiaal sterk en heeft het een zeer korte reikwijdte.
- Bèta-radioactiviteit. Het zijn hoogenergetische, snelle positronen of elektronen die worden uitgezonden door bepaalde soorten radioactieve kernen, zoals kalium-40. Bètadeeltjes hebben een groter penetratiebereik dan alfadeeltjes, maar nog steeds veel minder dan gammastralen. Uitgeworpen bètadeeltjes zijn een vorm van ioniserende straling, ook wel bekend als nucleaire kettingreactie-bètastralen. De productie van bètadeeltjes wordt bètaverval genoemd.
- Gamma-radioactiviteit. Gammastralen zijn elektromagnetische straling met een zeer hoge frequentie en zijn daarom fotonen met hoge energie. Ze worden gevormd wanneer kernen vervallen terwijl ze van een toestand met hoge energie naar een lagere toestand gaan die bekend staat als gamma-verval. De meeste kernreacties gaan gepaard met gammastraling.
- Neutronenemissie. Neutronenemissie is een soort radioactief verval van kernen die overtollige neutronen bevatten (vooral splijtingsproducten), waarbij het neutron eenvoudig uit de kern wordt geworpen. Dit typestraling speelt een sleutelrol bij de beheersing van kernreactoren omdat deze neutronen vertraagd zijn.
Energie
Q-waarde van de energie van een kernreactie is de hoeveelheid energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd tijdens de reactie. Het wordt de energiebalans of Q-waarde van de reactie genoemd. Deze energie wordt uitgedrukt als het verschil tussen de kinetische energie van het product en de hoeveelheid reactant.
Algemeen beeld van de reactie: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), waarbij x en X reactanten zijn, en y en Y is een reactieproduct, dat de energie van een kernreactie kan bepalen, Q is de energiebalans.
Q-waarde NR verwijst naar de energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd bij een reactie. Het wordt ook wel de NR-energiebalans genoemd, die afhankelijk van de aard positief of negatief kan zijn.
Als de Q-waarde positief is, zal de reactie exotherm zijn, ook wel exoergisch genoemd. Ze laat energie los. Als de Q-waarde negatief is, is de reactie endoergisch of endotherm. Dergelijke reacties worden uitgevoerd door energie te absorberen.
In de kernfysica worden dergelijke reacties gedefinieerd door de Q-waarde, als het verschil tussen de som van de massa's van de initiële reactanten en de eindproducten. Het wordt gemeten in energie-eenheden MeV. Beschouw een typische reactie waarbij projectiel a en doelwit A twee producten B en b opleveren.
Dit kan als volgt worden uitgedrukt: a + A → B + B, of zelfs in een compactere notatie - A (a, b) B. Soorten energieën in een kernreactie en de betekenis van deze reactiebepaald door de formule:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, die samenv alt met de overtollige kinetische energie van de eindproducten:
Q=T definitief - T aanvankelijk
Voor reacties waarbij de kinetische energie van de producten toeneemt, is Q positief. Positieve Q-reacties worden exotherm (of exogeen) genoemd.
Er is een netto afgifte van energie, aangezien de kinetische energie van de eindtoestand groter is dan in de begintoestand. Voor reacties waarbij een afname van de kinetische energie van de producten wordt waargenomen, is Q negatief.
Halfwaardetijd
De halfwaardetijd van een radioactieve stof is een karakteristieke constante. Het meet de tijd die nodig is om een bepaalde hoeveelheid materie te halveren door verval en dus door straling.
Archeologen en geologen gebruiken de halfwaardetijd tot nu toe op organische objecten in een proces dat bekend staat als koolstofdatering. Tijdens bètaverval wordt koolstof 14 omgezet in stikstof 14. Op het moment van overlijden stoppen organismen met het produceren van koolstof 14. Omdat de halfwaardetijd constant is, geeft de verhouding van koolstof 14 tot stikstof 14 een maat voor de leeftijd van het monster.
Op medisch gebied zijn de energiebronnen van kernreacties radioactieve isotopen van kob alt 60, dat is gebruikt voor bestralingstherapie om tumoren te verkleinen die later operatief zullen worden verwijderd, of om kankercellen te doden in onbruikbaretumoren. Wanneer het verv alt tot stabiel nikkel, zendt het twee relatief hoge energieën uit: gammastraling. Tegenwoordig wordt het vervangen door systemen voor radiotherapie met elektronenstralen.
Isotoophalfwaardetijd van sommige monsters:
- zuurstof 16 - oneindig;
- uranium 238 - 4.460.000.000 jaar;
- uranium 235 - 713.000.000 jaar;
- koolstof 14 - 5.730 jaar;
- cob alt 60 - 5, 27 jaar oud;
- zilver 94 - 0,42 seconden.
Radiokoolstofdatering
In een zeer constante snelheid verv alt onstabiel koolstof 14 geleidelijk tot koolstof 12. De verhouding van deze koolstofisotopen onthult de leeftijd van enkele van de oudste bewoners van de aarde.
Radiokoolstofdatering is een methode die objectieve schattingen geeft van de ouderdom van op koolstof gebaseerde materialen. De leeftijd kan worden geschat door de hoeveelheid koolstof 14 in een monster te meten en deze te vergelijken met een internationale standaardreferentie.
De impact van radiokoolstofdatering op de moderne wereld heeft het tot een van de belangrijkste ontdekkingen van de 20e eeuw gemaakt. Planten en dieren nemen hun hele leven koolstof 14 op uit koolstofdioxide. Wanneer ze sterven, stoppen ze met het uitwisselen van koolstof met de biosfeer, en hun koolstof-14-geh alte begint af te nemen met een snelheid die wordt bepaald door de wet van radioactief verval.
Radiokoolstofdatering is in wezen een methode voor het meten van resterende radioactiviteit. Als u weet hoeveel koolstof 14 er nog in het monster zit, kunt u erachter komende leeftijd van het organisme toen het stierf. Opgemerkt moet worden dat de resultaten van radiokoolstofdatering laten zien wanneer het organisme nog leefde.
Basismethoden voor het meten van radioactieve koolstof
Er zijn drie hoofdmethoden die worden gebruikt om koolstof 14 te meten in een bepaalde proportionele berekening van een sampler, vloeistofscintillatieteller en acceleratormassaspectrometrie.
Proportioneel gas tellen is een veelgebruikte radiometrische dateringstechniek die rekening houdt met de bètadeeltjes die door een bepaald monster worden uitgestoten. Bètadeeltjes zijn vervalproducten van radioactieve koolstof. Bij deze methode wordt het koolstofmonster eerst omgezet in koolstofdioxidegas voordat het wordt gemeten in gasproportionele meters.
Het tellen van scintillatievloeistoffen is een andere methode voor radiokoolstofdatering die populair was in de jaren zestig. Bij deze methode is het monster in vloeibare vorm en wordt een scintillator toegevoegd. Deze scintillator creëert een lichtflits wanneer hij interageert met een bètadeeltje. Het monsterbuisje wordt tussen twee fotomultiplicatoren geleid en wanneer beide apparaten een lichtflits registreren, wordt er geteld.
De voordelen van nucleaire wetenschap
De wetten van kernreacties worden gebruikt in een breed scala van takken van wetenschap en technologie, zoals geneeskunde, energie, geologie, ruimte en milieubescherming. Nucleaire geneeskunde en radiologie zijn medische praktijken waarbij straling of radioactiviteit wordt gebruikt voor diagnose, behandeling en preventie.ziekten. Hoewel radiologie al bijna een eeuw in gebruik is, begon de term 'nucleaire geneeskunde' ongeveer 50 jaar geleden te worden gebruikt.
Kernenergie wordt al tientallen jaren gebruikt en is een van de snelst groeiende energie-opties voor landen die op zoek zijn naar energiezekerheid en energiebesparende oplossingen met een lage emissie.
Archeologen gebruiken een breed scala aan nucleaire methoden om de ouderdom van objecten te bepalen. Artefacten zoals de Lijkwade van Turijn, de Dode Zeerollen en de Kroon van Karel de Grote kunnen worden gedateerd en geverifieerd met behulp van nucleaire technieken.
Nucleaire technieken worden gebruikt in landbouwgemeenschappen om ziekten te bestrijden. Radioactieve bronnen worden veel gebruikt in de mijnbouw. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt bij het niet-destructief testen van verstoppingen in pijpleidingen en lassen, bij het meten van de dichtheid van geponst materiaal.
Nucleaire wetenschap speelt een waardevolle rol bij het begrijpen van de geschiedenis van onze omgeving.
