Nuclear reaction (NR) - mchakato ambapo kiini cha atomi hubadilika kwa kuponda au kuunganishwa na kiini cha atomi nyingine. Kwa hivyo, lazima iongoze kwa mabadiliko ya angalau nuclide moja hadi nyingine. Wakati mwingine, ikiwa kiini kitaingiliana na kiini au chembe nyingine bila kubadilisha asili ya nuclide yoyote, mchakato huo unajulikana kama mtawanyiko wa nyuklia. Labda kinachojulikana zaidi ni athari za fusion ya vipengele vya mwanga, vinavyoathiri uzalishaji wa nishati ya nyota na jua. Miitikio ya asili pia hutokea katika mwingiliano wa miale ya ulimwengu na mata.
Kiyeyeyuta asilia cha nyuklia
Mitikio inayojulikana zaidi inayodhibitiwa na binadamu ni mmenyuko wa mpasuko unaotokea katika vinu vya nyuklia. Hivi ni vifaa vya kuanzisha na kudhibiti athari ya mnyororo wa nyuklia. Lakini kuna si tu reactors bandia. Kinu cha kwanza cha nyuklia asilia duniani kiligunduliwa mwaka wa 1972 huko Oklo nchini Gabon na mwanafizikia Mfaransa Francis Perrin.
Masharti ambayo nishati asilia ya mmenyuko wa nyuklia inaweza kutolewa yalitabiriwa mnamo 1956 na Paul Kazuo Kuroda. Mahali pekee inayojulikana katikadunia ina maeneo 16 ambapo athari za kujitegemea za aina hii zilitokea. Inaaminika kuwa hii ilikuwa karibu miaka bilioni 1.7 iliyopita na iliendelea kwa miaka laki kadhaa, kama inavyothibitishwa na xenon isotopu (gesi ya bidhaa ya fission) na uwiano tofauti wa U-235/U-238 (urutubishaji wa uranium asilia).
Mpasuko wa nyuklia
Mpangilio wa nishati unaojumuisha unapendekeza kwamba nyukledi zenye uzito zaidi ya 130 a.m.u. inapaswa kutengana moja kwa moja kutoka kwa kila mmoja kuunda nuclides nyepesi na thabiti zaidi. Kwa majaribio, wanasayansi wamegundua kuwa athari za hiari za mgawanyiko wa vitu vya mmenyuko wa nyuklia hutokea tu kwa nuclides nzito zaidi na idadi kubwa ya 230 au zaidi. Hata kama hii inafanywa, ni polepole sana. Nusu ya maisha ya mgawanyiko wa hiari wa 238 U, kwa mfano, ni miaka 10-16, au karibu mara milioni mbili zaidi ya umri wa sayari yetu! Athari za mtengano zinaweza kuchochewa na sampuli za miale ya nyuklidi nzito na neutroni za polepole za mafuta. Kwa mfano, 235 U inapofyonza neutroni ya joto, hugawanyika na kuwa chembe mbili za uzito usio sawa na kutoa wastani wa neutroni 2.5.
Kufyonzwa kwa nyutroni 238 U huleta mitetemo katika kiini, ambayo huitengeneza hadi kugawanyika vipande vipande, kama vile tone la kioevu linavyoweza kupasuka na kuwa matone madogo. Nuclides binti zaidi ya 370 zilizo na wingi wa atomiki kati ya 72 na 161 a.m.u. huundwa wakati wa mgawanyiko na neutroni ya joto 235U, pamoja na bidhaa mbili;imeonyeshwa hapa chini.
Isotopu za mmenyuko wa nyuklia, kama vile uranium, hupata mpasuko unaosababishwa. Lakini isotopu pekee ya asili 235 U iko kwa wingi kwa 0.72% tu. Mgawanyiko unaosababishwa wa isotopu hii hutoa wastani wa MeV 200 kwa atomi, au kilojuli milioni 80 kwa gramu 235 U. Mvuto wa mpasuko wa nyuklia kama chanzo cha nishati unaweza kueleweka kwa kulinganisha thamani hii na 50 kJ/g iliyotolewa wakati asili. gesi imechomwa.
Kinu cha kwanza cha nyuklia
Kinu ya kwanza ya nyuklia ya bandia ilijengwa na Enrico Fermi na wafanyakazi wenzake chini ya uwanja wa mpira wa miguu wa Chuo Kikuu cha Chicago na ilianza kutumika tarehe 2 Desemba 1942. Reactor hii, ambayo ilitoa kilowati kadhaa za nguvu, ilijumuisha rundo la tani 385 za vitalu vya grafiti vilivyowekwa kwenye tabaka karibu na kimiani cha ujazo cha tani 40 za uranium na oksidi ya urani. Utengano wa moja kwa moja wa 238 U au 235 U katika kinu hiki ulitoa neutroni chache sana. Lakini kulikuwa na uranium ya kutosha, kwa hivyo moja ya nyutroni hizi ilisababisha mgawanyiko wa kiini cha 235 U, na hivyo kutoa wastani wa nyutroni 2.5, ambayo ilichochea mgawanyiko wa nuclei 235 za ziada katika mmenyuko wa mnyororo (miitikio ya nyuklia).
Kiasi cha nyenzo yenye mpasuko inayohitajika ili kudumisha mmenyuko wa mnyororo huitwa uzani muhimu. Mishale ya kijani kibichi inaonyesha mgawanyiko wa kiini cha urani katika vipande viwili vya mpasuko vinavyotoa nyutroni mpya. Baadhi ya neutroni hizi zinaweza kusababisha athari mpya za mtengano (mishale nyeusi). Baadhi yaneutroni zinaweza kupotea katika michakato mingine (mishale ya bluu). Mishale nyekundu huonyesha nyutroni zilizochelewa ambazo hufika baadaye kutoka kwa vipande vya mionzi ya mionzi na inaweza kusababisha athari mpya ya mtengano.
Uteuzi wa athari za nyuklia
Hebu tuangalie sifa za kimsingi za atomi, ikijumuisha nambari ya atomiki na misa ya atomiki. Nambari ya atomiki ni idadi ya protoni katika kiini cha atomi, na isotopu zina nambari ya atomiki sawa lakini zinatofautiana katika idadi ya nyutroni. Ikiwa viini vya mwanzo vimeashiria a na b, na viini vya bidhaa vimeashiriwa c na d, basi majibu yanaweza kuwakilishwa na mlingano unaoweza kuona hapa chini.
Je, ni athari gani za nyuklia zinazoghairiwa kwa chembechembe nyepesi badala ya kutumia milinganyo kamili? Katika hali nyingi, fomu ya kompakt hutumiwa kuelezea michakato kama hii: a (b, c) d ni sawa na + b inayozalisha c + d. Chembe za nuru mara nyingi hufupishwa: kwa kawaida p huwakilisha protoni, n kwa neutroni, d kwa deuteron, α kwa alpha au heliamu-4, β kwa beta au elektroni, γ kwa gamma photon, n.k.
Aina za athari za nyuklia
Ingawa idadi ya maitikio kama haya yanawezekana ni kubwa, yanaweza kupangwa kulingana na aina. Mengi ya athari hizi huambatana na mionzi ya gamma. Hii hapa baadhi ya mifano:
- Mtawanyiko wa elastic. Hutokea wakati hakuna nishati inayohamishwa kati ya kiini lengwa na chembe inayoingia.
- Mtawanyiko wa inelastic. Hutokea wakati nishati inapohamishwa. Tofauti katika nishati ya kinetiki huhifadhiwa katika nuclide ya msisimko.
- Nasa maoni. zote mbili kushtakiwa nachembe za upande wowote zinaweza kukamatwa na viini. Hii inaambatana na utoaji wa ɣ-rays. Chembe za athari za nyuklia katika mmenyuko wa kukamata nyutroni huitwa nuclides ya mionzi (induced radioactivity).
- Maoni ya uhamishaji. Ufyonzwaji wa chembe, unaoambatana na utoaji wa chembe moja au zaidi, huitwa mmenyuko wa uhamishaji.
- Maitikio ya mtengano. Nuclear fission ni mmenyuko ambapo kiini cha atomi hugawanywa katika vipande vidogo (viini nyepesi). Mchakato wa mtengano mara nyingi hutoa nyutroni na fotoni bila malipo (katika umbo la miale ya gamma) na kutoa kiasi kikubwa cha nishati.
- Maitikio ya mseto. Hutokea wakati viini viwili au zaidi vya atomiki vinapogongana kwa kasi ya juu sana na kuungana na kuunda aina mpya ya kiini cha atomiki. Chembe chembe za nyuklia za muunganisho wa Deuterium-tritium ni za kuvutia sana kwa sababu ya uwezo wao wa kutoa nishati katika siku zijazo.
- Maoni yanayogawanyika. Hutokea wakati kiini kinapogongwa na chembe chenye nguvu na kasi ya kutosha kuangusha vipande vidogo vidogo au kukigawanya katika vipande vingi.
- Maoni ya kupanga upya. Huu ni ufyonzaji wa chembe, unaoambatana na utoaji wa chembe moja au zaidi:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Yeye (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Miitikio tofauti ya upangaji upya hubadilisha idadi ya neutroni na idadi ya protoni.
kuoza kwa nyuklia
Miitikio ya nyuklia hutokea wakati chembe isiyo imara inapopoteza nishatimionzi. Ni mchakato wa nasibu katika kiwango cha atomi moja, kwani kulingana na nadharia ya quantum haiwezekani kutabiri ni lini chembe ya mtu binafsi itaoza.
Kuna aina nyingi za uozo wa mionzi:
- Mionzi ya Alpha. Chembe za alfa zimeundwa na protoni mbili na neutroni mbili zilizounganishwa pamoja na chembe inayofanana na kiini cha heliamu. Kwa sababu ya uzani wake mkubwa na chaji yake, huanisha nyenzo kwa nguvu na ina masafa mafupi sana.
- Mionzi ya Beta. Ni nishati ya juu, positroni za kasi kubwa, au elektroni, zinazotolewa kutoka kwa aina fulani za viini vyenye mionzi, kama vile potasiamu-40. Chembe za Beta zina upeo mkubwa wa kupenya kuliko chembe za alpha, lakini bado ni chini sana kuliko miale ya gamma. Chembe za beta zilizotolewa ni aina ya mionzi ya ioni, inayojulikana pia kama mionzi ya beta ya mnyororo wa nyuklia. Uzalishaji wa chembe za beta huitwa uozo wa beta.
- Mionzi ya Gamma. Miale ya Gamma ni mionzi ya sumakuumeme ya masafa ya juu sana na kwa hivyo ni fotoni za nishati nyingi. Huundwa wakati viini vinapooza vinapotoka katika hali ya juu ya nishati hadi hali ya chini inayojulikana kama kuoza kwa gamma. Athari nyingi za nyuklia huambatana na mionzi ya gamma.
- Utoaji wa nyutroni. Utoaji wa nyutroni ni aina ya kuoza kwa mionzi ya nuclei iliyo na nyutroni za ziada (hasa bidhaa za fission), ambapo nyutroni hutolewa tu kutoka kwenye kiini. Aina hiimionzi ina jukumu muhimu katika udhibiti wa vinu vya nyuklia kwa sababu neutroni hizi zimechelewa.
Nishati
Thamani ya Q ya nishati ya mmenyuko wa nyuklia ni kiasi cha nishati iliyotolewa au kufyonzwa wakati wa majibu. Inaitwa usawa wa nishati, au thamani ya Q ya majibu. Nishati hii inaonyeshwa kama tofauti kati ya nishati ya kinetiki ya bidhaa na kiasi cha kiitikio.
Mtazamo wa jumla wa itikio: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), ambapo x na X ni viitikio, na y na Y ni bidhaa ya majibu, ambayo inaweza kubainisha nishati ya mmenyuko wa nyuklia, Q ni mizani ya nishati.
Thamani ya Q-NR inarejelea nishati iliyotolewa au kufyonzwa katika athari. Pia huitwa salio la nishati la NR, ambalo linaweza kuwa chanya au hasi kulingana na asili.
Ikiwa thamani ya Q ni chanya, majibu yatakuwa ya ajabu, pia huitwa exoergic. Yeye hutoa nishati. Ikiwa thamani ya Q ni hasi, majibu ni endoergic, au endothermic. Miitikio kama hii hutekelezwa kwa kunyonya nishati.
Katika fizikia ya nyuklia, miitikio kama hii inafafanuliwa kwa thamani ya Q, kama tofauti kati ya jumla ya viathiriwa vya awali na bidhaa za mwisho. Inapimwa katika vitengo vya nishati MeV. Fikiria majibu ya kawaida ambapo projectile a na kulenga mavuno A kwa bidhaa mbili B na b.
Hii inaweza kuelezwa kama hii: a + A → B + B, au hata kwa nukuu changamano - A (a, b) B. Aina za nishati katika mmenyuko wa nyuklia na maana ya mmenyuko huukuamuliwa na fomula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, ambayo inaambatana na ziada ya nishati ya kinetiki ya bidhaa za mwisho:
Q=T mwisho - T mwanzo
Kwa maoni ambayo kuna ongezeko la nishati ya kinetiki ya bidhaa, Q ni nzuri. Miitikio chanya ya Q inaitwa exothermic (au exogenous).
Kuna kutolewa kwa nishati, kwa kuwa nishati ya kinetiki ya hali ya mwisho ni kubwa kuliko katika hali ya awali. Kwa miitikio ambayo kupungua kwa nishati ya kinetiki ya bidhaa huzingatiwa, Q ni hasi.
Nusu ya maisha
Nusu ya maisha ya dutu ya mionzi ni tabia isiyobadilika. Hupima muda unaohitajika ili kiasi fulani cha maada kipunguzwe kwa nusu kupitia kuoza na hivyo basi mionzi.
Waakiolojia na wanajiolojia hutumia nusu-hai hadi sasa kwenye vitu vya kikaboni katika mchakato unaojulikana kama miadi ya kaboni. Wakati wa kuoza kwa beta, kaboni 14 inabadilishwa kuwa nitrojeni 14. Wakati wa kifo, viumbe huacha kuzalisha kaboni 14. Kwa sababu nusu ya maisha ni mara kwa mara, uwiano wa kaboni 14 hadi nitrojeni 14 hutoa kipimo cha umri wa sampuli.
Katika nyanja ya matibabu, vyanzo vya nishati ya athari za nyuklia ni isotopu za mionzi za Cob alt 60, ambazo zimetumika kwa matibabu ya mionzi ili kupunguza uvimbe ambao baadaye utaondolewa kwa upasuaji, au kuua seli za saratani katika hali isiyoweza kufanya kazi.uvimbe. Inapooza na kuwa nikeli thabiti, hutoa nguvu mbili za juu - miale ya gamma. Leo nafasi yake inabadilishwa na mifumo ya matibabu ya elektroni ya miale ya radio.
nusu ya maisha ya isotopu kutoka kwa baadhi ya sampuli:
- oksijeni 16 - isiyo na mwisho;
- uranium miaka 238 - 4,460,000,000;
- uranium miaka 235 - 713,000,000;
- kaboni 14 - 5,730 miaka;
- cob alt 60 - 5, umri wa miaka 27;
- fedha sekunde 94 - 0.42.
Kuchumbiana kwa radiocarbon
Kwa kasi ya kutosha, kaboni 14 isiyo imara inaoza polepole na kuwa kaboni 12. Uwiano wa isotopu hizi za kaboni hufichua umri wa baadhi ya wakaaji wa zamani zaidi duniani.
Kuchumbiana kwa njia ya kaboni ni mbinu ambayo hutoa makadirio ya lengo la umri wa nyenzo zinazotokana na kaboni. Umri unaweza kukadiriwa kwa kupima kiasi cha kaboni 14 kilichopo katika sampuli na kulinganisha na marejeleo ya kawaida ya kimataifa.
Athari za kuchumbiana kwa radiocarbon kwenye ulimwengu wa kisasa zimeifanya kuwa moja ya uvumbuzi muhimu zaidi wa karne ya 20. Mimea na wanyama huchukua kaboni 14 kutoka kwa kaboni dioksidi katika maisha yao yote. Wanapokufa, huacha kubadilishana kaboni na biosphere, na maudhui yao ya kaboni 14 huanza kupungua kwa kasi iliyoamuliwa na sheria ya kuoza kwa mionzi.
Kuchumbiana kwa radiocarbon kimsingi ni mbinu ya kupima mabaki ya mionzi. Kujua ni kiasi gani cha kaboni 14 kilichosalia kwenye sampuli, unaweza kujuaumri wa kiumbe kilipokufa. Ikumbukwe kwamba matokeo ya kuchumbiana kwa radiocarbon yanaonyesha wakati kiumbe huyo alikuwa hai.
Njia za kimsingi za kupima radiocarbon
Kuna mbinu tatu kuu zinazotumiwa kupima kaboni 14 katika hesabu yoyote ya sawia ya sampuli fulani, kihesabu kioevu cha kukamua na spectrometry ya molekuli ya accelerator.
Kuhesabu gesi sawia ni mbinu ya kawaida ya kuchumbiana na radiometriki ambayo huzingatia chembe za beta zinazotolewa na sampuli fulani. Chembe za Beta ni bidhaa za kuoza za radiocarbon. Katika mbinu hii, sampuli ya kaboni hubadilishwa kwanza kuwa gesi ya kaboni dioksidi kabla ya kupimwa kwa mita za uwiano wa gesi.
Kuhesabu vimiminika ni mbinu nyingine ya miadi ya radiocarbon ambayo ilikuwa maarufu katika miaka ya 1960. Kwa njia hii, sampuli iko katika fomu ya kioevu na scintillator huongezwa. Skanti hii huunda mwako wa mwanga wakati inapoingiliana na chembe ya beta. Sampuli ya bomba hupitishwa kati ya viboreshaji picha viwili na vifaa vyote viwili vinaposajili mweko wa mwanga, hesabu hufanywa.
Manufaa ya Sayansi ya Nyuklia
Sheria za athari za nyuklia hutumika katika aina mbalimbali za sayansi na teknolojia, kama vile dawa, nishati, jiolojia, anga na ulinzi wa mazingira. Dawa ya nyuklia na radiolojia ni mbinu za matibabu zinazohusisha matumizi ya mionzi au mionzi kwa uchunguzi, matibabu na kuzuia.magonjwa. Ingawa radiolojia imekuwa ikitumika kwa karibu karne moja, neno "dawa ya nyuklia" lilianza kutumika takriban miaka 50 iliyopita.
Nishati ya nyuklia imekuwa ikitumika kwa miongo kadhaa na ni mojawapo ya chaguzi za nishati zinazokua kwa kasi zaidi kwa nchi zinazotafuta usalama wa nishati na suluhu za kuokoa nishati zinazotokana na uchafuzi mdogo.
Waakiolojia hutumia mbinu mbalimbali za nyuklia kubainisha umri wa vitu. Viumbe kama vile Sanda ya Turin, Vitabu vya Kusogeza vya Bahari ya Chumvi na Taji la Charlemagne vinaweza kuwekwa tarehe na kuthibitishwa kwa kutumia mbinu za nyuklia.
Mbinu za nyuklia hutumiwa katika jumuiya za kilimo kupambana na magonjwa. Vyanzo vya mionzi vinatumika sana katika tasnia ya madini. Kwa mfano, hutumika katika majaribio yasiyo ya uharibifu ya vizuizi katika mabomba na weld, katika kupima msongamano wa nyenzo zilizopigwa.
Sayansi ya nyuklia ina jukumu muhimu katika kutusaidia kuelewa historia ya mazingira yetu.
