Nükleer reaksiyon - Nuclear reaction

Bir nükleer reaksiyonun bu sembolik temsilinde, lityum-6 (6
3
Li
) ve döteryum (2
1
H
) yüksek derecede uyarılmış ara çekirdeği oluşturmak için reaksiyona girer 8
4
olmak
bu daha sonra iki içine hemen bozunur alfa parçacıkları ve helyum-4 (4
2
o
). Protonlar sembolik olarak kırmızı kürelerle, nötronlar ise mavi kürelerle temsil edilir .

Olarak nükleer fizik ve nükleer kimya , bir nükleer reaksiyon ikisi bir işlemdir çekirdekleri ya da bir çekirdek ve bir dış atom altı parçacık , çarpışır, bir ya da daha fazla yeni üretmek için izotop . Bu nedenle, bir nükleer reaksiyon, en az bir nüklidin diğerine dönüşmesine neden olmalıdır. Bir çekirdek başka bir çekirdek veya parçacık ile etkileşirse ve daha sonra herhangi bir nüklidin doğasını değiştirmeden ayrılırsa, süreç nükleer reaksiyondan ziyade bir tür nükleer saçılma olarak adlandırılır .

Prensipte, bir reaksiyon ikiden fazla parçacığın çarpışmasını içerebilir , ancak üç veya daha fazla çekirdeğin aynı anda aynı yerde buluşma olasılığı iki çekirdeğe göre çok daha az olduğundan, böyle bir olay son derece nadirdir (bkz. üçlü alfa üç cisimli nükleer reaksiyona çok yakın bir örnek için işlem ). "Nükleer reaksiyon" terimi, bir nüklidde başka bir parçacıkla çarpışmanın neden olduğu bir değişikliği veya bir nüklidin çarpışma olmaksızın kendiliğinden değişmesini ifade edebilir.

Doğal nükleer reaksiyonlar, kozmik ışınlar ve madde arasındaki etkileşimde meydana gelir ve nükleer reaksiyonlar, isteğe bağlı olarak ayarlanabilir bir hızda nükleer enerji elde etmek için yapay olarak kullanılabilir. Bölünebilir malzemelerdeki nükleer zincir reaksiyonları , indüklenmiş nükleer fisyon üretir . Hafif elementlerin çeşitli nükleer füzyon reaksiyonları, Güneş'in ve yıldızların enerji üretimine güç sağlar .

Tarih

1919'da Ernest Rutherford , Manchester Üniversitesi'nde nitrojen 14 N + α → 17 O + p'ye yönelik alfa parçacıkları kullanarak nitrojenin oksijene dönüştürülmesini başardı . Bu, indüklenmiş bir nükleer reaksiyonun, yani bir bozunmadan gelen parçacıkların başka bir atom çekirdeğini dönüştürmek için kullanıldığı bir reaksiyonun ilk gözlemiydi. Sonunda, 1932'de Cambridge Üniversitesi'nde, çekirdeği iki alfa parçacığına bölmek için lityum-7'ye karşı yapay olarak hızlandırılmış protonlar kullanan Rutherford'un meslektaşları John Cockcroft ve Ernest Walton tarafından tamamen yapay bir nükleer reaksiyon ve nükleer dönüşüm elde edildi . Bu , daha sonra (1938'de) Alman bilim adamları Otto Hahn , Lise Meitner ve Fritz Strassmann tarafından ağır elementlerde keşfedilen modern nükleer fisyon reaksiyonu olmamasına rağmen , halk arasında " atomu bölme" olarak biliniyordu .

isimlendirme

Nükleer reaksiyonlar, denklemin her iki tarafı için değişmez kütlenin dengelenmesi gereken ve parçacıkların dönüşümlerinin, yükün korunumu ve baryon sayısı (toplam atom kütlesi) gibi belirli koruma yasalarını takip etmesi gereken kimyasal denklemlere benzer bir biçimde gösterilebilir. numarası ). Bu gösterimin bir örneği aşağıdaki gibidir:

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
o
 
?.

Kütle, yük ve kütle numarası için yukarıdaki denklemi dengelemek için, sağdaki ikinci çekirdeğin atom numarası 2 ve kütle numarası 4 olmalıdır; bu nedenle aynı zamanda helyum-4'tür. Tam denklem bu nedenle okur:

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
o
 
4
2
o
.

veya daha basit:

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
o
.

Yukarıdaki tarzda tam denklemleri kullanmak yerine, birçok durumda nükleer reaksiyonları tanımlamak için kompakt bir gösterim kullanılır. A(b,c)D formunun bu stili A + b'nin c + D üretmesine eşdeğerdir. Yaygın hafif parçacıklar genellikle bu kısaltmada kısaltılır, tipik olarak p proton için, n nötron için, d için döteron , α bir alfayı temsil eder parçacık veya helyum-4 , beta parçacık veya elektron için β , gama foton için γ , vb. Yukarıdaki reaksiyon 6 Li(d,α)α olarak yazılacaktır .

Enerji tasarrufu

Kinetik enerji bir reaksiyon (seyri sırasında piyasaya olabilir ekzotermik reaksiyonun ) veya kinetik enerji meydana (almaya reaksiyon için temin edilecek gerekebilir endotermik reaksiyon ). Bu, aşağıdaki gibi çok kesin parçacık dinlenme kütleleri tablosuna başvurularak hesaplanabilir: referans tablolarına göre,6
3
Li
çekirdeğin standart atom ağırlığı 6.015 atomik kütle birimi (kısaltma u ), döteryum 2.014 u ve helyum-4 çekirdeği 4.0026 u'dur. Böylece:

  • tek tek çekirdeklerin kalan kütlesinin toplamı = 6.015 + 2.014 = 8.029 u;
  • iki helyum çekirdeği üzerindeki toplam durgun kütle = 2 × 4.0026 = 8.0052 u;
  • eksik kalan kütle = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 atomik kütle birimi.

Bir nükleer reaksiyonda toplam (göreceli) enerji korunur . Bu nedenle, "eksik" kalan kütle, reaksiyonda salınan kinetik enerji olarak yeniden ortaya çıkmalıdır; kaynağı nükleer bağlanma enerjisidir . Einstein'ın kütle-enerji denklik formülü E  =  mc 2 kullanılarak , salınan enerji miktarı belirlenebilir. Önce bir atomik kütle biriminin enerji eşdeğerine ihtiyacımız var :

1 u  c 2  = (1,66054 10 x -27  kg) x (2,99792 x 10 8  m / sn) 2 
= 1.49242 × 10 −10  kg (m/s) 2  = 1.49242 × 10 −10  J ( joule ) × (1  MeV  / 1.60218 × 10 −13  J)
= 931.49 MeV,
yani 1 u  c 2  = 931.49 MeV.

Bu nedenle, serbest bırakılan enerji 0.0238 x 931 MeV'lik = 22.2 olan MeV .

Farklı ifade edilirse: kütle %0,3 oranında azalır, bu da 90 PJ/kg'ın %0,3'üne karşılık gelen 270 TJ/kg'dır.

Bu, bir nükleer reaksiyon için büyük miktarda enerjidir; miktar çok yüksektir çünkü helyum-4 çekirdeğinin nükleon başına bağlanma enerjisi alışılmadık derecede yüksektir, çünkü He-4 çekirdeği " çift ​​sihirlidir ". (He-4 çekirdeği alışılmadık şekilde kararlıdır ve helyum atomunun hareketsiz olmasıyla aynı nedenden dolayı sıkı bir şekilde bağlıdır: He-4'teki her bir proton ve nötron çifti, atomdaki elektron çiftiyle aynı şekilde dolu bir 1s nükleer orbitalini işgal eder . helyum atomu dolu bir 1s elektron yörüngesini işgal eder ). Sonuç olarak, alfa parçacıkları nükleer reaksiyonların sağ tarafında sıklıkla görülür.

Bir nükleer reaksiyonda açığa çıkan enerji, esas olarak üç yoldan biriyle ortaya çıkabilir:

  • ürün parçacıklarının kinetik enerjisi (yüklü nükleer reaksiyon ürünlerinin kinetik enerjisinin bir kısmı doğrudan elektrostatik enerjiye dönüştürülebilir);
  • gama ışınları adı verilen çok yüksek enerjili fotonların emisyonu ;
  • bir miktar enerji, yarı kararlı bir enerji seviyesi olarak çekirdekte kalabilir .

Ürün çekirdeği yarı kararlı olduğunda, bu, atom numarasının yanına bir yıldız işareti ("*") yerleştirilerek belirtilir . Bu enerji sonunda nükleer bozunma yoluyla serbest bırakılır .

Az miktarda enerji de X-ışınları şeklinde ortaya çıkabilir . Genel olarak, ürün çekirdeği farklı bir atom numarasına sahiptir ve bu nedenle elektron kabuklarının konfigürasyonu yanlıştır. Elektronlar kendilerini yeniden düzenlerken ve daha düşük enerji seviyelerine düştükçe, dahili geçiş X-ışınları (kesin olarak tanımlanmış emisyon çizgilerine sahip X-ışınları ) yayılabilir.

Q değeri ve enerji dengesi

Reaksiyon denklemini kimyasal bir denkleme benzer bir şekilde yazarken , reaksiyon enerjisi de sağ tarafta verilebilir:

Hedef çekirdek + mermi → Son çekirdek + fırlatma + Q .

Yukarıda tartışılan özel durum için reaksiyon enerjisi zaten Q = 22.2 MeV olarak hesaplanmıştır. Buradan:

6
3
Li
 
2
1
H
 
→  4
2
o
 
22.2  MeV .

Reaksiyon enerjisi ("Q değeri"), kimyadaki benzer ifadenin aksine, ekzotermal reaksiyonlar için pozitif ve endotermal reaksiyonlar için negatiftir . Bir yandan, son taraftaki ve ilk taraftaki kinetik enerjilerin toplamları arasındaki farktır. Ama öte yandan, aynı zamanda ilk taraftaki ve son taraftaki nükleer dinlenme kütleleri arasındaki farktır (bu şekilde yukarıda Q-değerini hesapladık ).

Reaksiyon oranları

Reaksiyon denklemi dengeliyse, bu reaksiyonun gerçekten gerçekleştiği anlamına gelmez. Reaksiyonların meydana gelme hızı , gelen parçacıkların enerjisine ve akışına ve reaksiyon kesitine bağlıdır . Reaksiyon hızlarının geniş bir havuzuna bir örnek, Joint Institute for Nuclear Astrophysics tarafından sağlanan REACLIB veritabanıdır .

Yüklü ve yüksüz parçacıklar

Reaksiyonu başlatan ilk çarpışmada, parçacıklar, kısa menzilli güçlü kuvvetin onları etkileyebilmesi için yeterince yakından yaklaşmalıdır . En yaygın nükleer parçacıklar pozitif yüklü olduğundan, bu , reaksiyon başlamadan önce önemli elektrostatik itmenin üstesinden gelmeleri gerektiği anlamına gelir . Hedef çekirdek nötr bir atomun parçası olsa bile , diğer parçacık elektron bulutunun çok ötesine geçmeli ve pozitif yüklü olan çekirdeğe yaklaşmalıdır. Bu nedenle, bu tür parçacıkların önce yüksek enerjiye hızlandırılması gerekir, örneğin:

Ayrıca, itme kuvveti, iki yükün çarpımı ile orantılı olduğundan, ağır çekirdekler arasındaki reaksiyonlar, ağır ve hafif bir çekirdek arasındaki reaksiyonlardan daha nadirdir ve daha yüksek başlangıç ​​enerjisi gerektirir; iki hafif çekirdek arasındaki reaksiyonlar ise en yaygın olanlarıdır.

Nötronlar ise itmeye neden olacak elektrik yüküne sahip değildir ve çok düşük enerjilerde nükleer reaksiyon başlatabilir. Aslında, son derece düşük parçacık enerjilerinde (örneğin, oda sıcaklığındaki termal dengeye karşılık gelir ), nötronun de Broglie dalga boyu büyük ölçüde artar, muhtemelen ilgili çekirdeklerin rezonanslarına yakın enerjilerde yakalama kesitini büyük ölçüde artırır . Bu nedenle düşük enerjili nötronlar , yüksek enerjili nötronlardan bile daha reaktif olabilir .

Önemli türler

Muhtemel nükleer reaksiyonların sayısı çok büyük olmakla birlikte, daha yaygın veya başka şekilde dikkate değer olan birkaç tür vardır. Bazı örnekler şunları içerir:

  • Füzyon reaksiyonları - iki hafif çekirdek birleşerek daha ağır olanı oluşturur ve ardından ek parçacıklar (genellikle protonlar veya nötronlar) yayılır.
  • Parçalanma - bir çekirdeğe, birkaç küçük parçayı nakavt etmek veya birçok parçaya parçalamak için yeterli enerji ve momentuma sahip bir parçacık çarpar .
  • İndüklenen gama emisyonu , nükleer uyarılma durumlarının yaratılmasında ve yok edilmesinde yalnızca fotonların yer aldığı bir sınıfa aittir.
  • Alfa bozunumu - Kendiliğinden fisyonla aynı temel kuvvetler tarafından yönlendirilmesine rağmen, α bozunumu genellikle ikincisinden ayrı olarak kabul edilir. "Nükleer reaksiyonların" indüklenmiş süreçlerle sınırlı olduğu sık sık alıntılanan fikir yanlıştır. "Radyoaktif bozunmalar", indüklenmek yerine kendiliğinden olan "nükleer reaksiyonların" bir alt grubudur. Örneğin, alışılmadık derecede yüksek enerjilere sahip "sıcak alfa parçacıkları" olarak adlandırılanlar , indüklenmiş bir nükleer reaksiyon olan indüklenmiş üçlü fisyonda üretilebilir (spontan fisyonla zıttır). Bu tür alfalar, kendiliğinden üçlü fisyondan da meydana gelir.
  • Fisyon reaksiyonları - çok ağır bir çekirdek, ek hafif parçacıkları (genellikle nötronlar) emdikten sonra iki veya bazen üç parçaya bölünür. Bu indüklenmiş bir nükleer reaksiyondur. Bir nötronun yardımı olmadan meydana gelen spontan fisyon , genellikle bir nükleer reaksiyon olarak kabul edilmez. En fazla, indüklenmiş bir nükleer reaksiyon değildir.

Doğrudan reaksiyonlar

Bir ara enerji mermisi, tek bir hızlı (10 -21 saniye) olayda çekirdeğe enerji aktarır veya nükleonları alır veya kaybeder . Enerji ve momentum transferi nispeten küçüktür. Bunlar özellikle deneysel nükleer fizikte faydalıdır, çünkü reaksiyon mekanizmaları genellikle hedef çekirdeğin yapısını araştırmak için yeterli doğrulukla hesaplamak için yeterince basittir.

esnek olmayan saçılma

Sadece enerji ve momentum aktarılır.

  • (p,p') nükleer durumlar arasındaki farklılıkları test eder.
  • (α,α') nükleer yüzey şekillerini ve boyutlarını ölçer. Çekirdeğe çarpan α parçacıkları daha şiddetli tepki verdiğinden, elastik ve sığ esnek olmayan α saçılımı, küçük siyah bir nesneden saçılan ışık gibi, hedeflerin şekil ve boyutlarına duyarlıdır .
  • (e,e') iç yapıyı araştırmak için kullanışlıdır. Elektronlar, proton ve nötronlara göre daha az güçlü etkileştiği için hedeflerin merkezlerine ulaşır ve çekirdekten geçerek dalga fonksiyonları daha az bozulur.

Yük değişim reaksiyonları

Enerji ve yük, mermi ve hedef arasında aktarılır. Bu tür reaksiyonların bazı örnekleri şunlardır:

  • (p,n)
  • ( 3 He,t)

nükleon transfer reaksiyonları

Genellikle orta derecede düşük enerjide, mermi ve hedef arasında bir veya daha fazla nükleon aktarılır. Bunlar, çekirdeğin dış kabuk yapısını incelemekte faydalıdır . Mermiden hedefe transfer reaksiyonları meydana gelebilir; sıyırma reaksiyonları veya hedeften mermiye; alma reaksiyonları.

  • (α,n) ve (α,p) reaksiyonları. İncelenen en eski nükleer reaksiyonlardan bazıları, alfa bozunmasıyla üretilen ve hedef çekirdekten bir nükleon vuran bir alfa parçacığını içeriyordu .
  • (d,n) ve (d,p) reaksiyonları. Bir döteron ışını bir hedefe çarpıyor; hedef çekirdek, döterondan ya nötron ya da protonu emer. Döteron o kadar gevşek bir şekilde bağlıdır ki, bu neredeyse proton veya nötron yakalama ile aynıdır. Ek nötronların daha yavaş yayılmasına yol açan bir bileşik çekirdek oluşturulabilir. (d,n) reaksiyonları enerjik nötronlar üretmek için kullanılır.
  • Yabancılık değişim reaksiyonu ( K , π ) incelemek için kullanılmıştır hypernuclei .
  • Reaksiyon, 14 N (α, s), 17 , 1917'de Rutherford tarafından gerçekleştirilen O (1919 rapor), genel olarak birinci olarak kabul edilir nükleer dönüşüm deneyi.

nötronlarla reaksiyonlar

T 7 Litre 14 C
(n,α) 6 Li + n → T + α 10 B + n → 7 Li + α 17 O + n → 14 C + α 21 Ne + n → 18 O + α 37 Ar + n → 34 S + α
(n,p) 3 O + n → T + p 7 Ol + n → 7 Li + p 14 N + n → 14 C + p 22 Na + n → 22 Ne + p
(n,y) 2 H + n → T + γ 13 C + n → 14 C + γ

Nötronlarla reaksiyonlar nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda önemlidir . En iyi bilinen nötron reaksiyonları, nötron saçılması , nötron yakalama ve nükleer fisyon iken, bazı hafif çekirdekler (özellikle tek-tek çekirdekler ) için bir termal nötron ile en olası reaksiyon bir transfer reaksiyonudur:

Bazı reaksiyonlar sadece hızlı nötronlarla mümkündür :

Bileşik nükleer reaksiyonlar

Ya düşük enerjili bir mermi emilir ya da daha yüksek enerjili bir parçacık çekirdeğe enerji aktarır ve onu tamamen birbirine bağlanamayacak kadar fazla enerjiyle bırakır. Yaklaşık 10 −19 saniyelik bir zaman ölçeğinde , parçacıklar, genellikle nötronlar "kaynatılır". Yani, karşılıklı çekimden kaçmak için bir nötronda yeterli enerji yoğunlaşana kadar bir arada kalır. Uyarılmış yarı bağlı çekirdeğe bileşik çekirdek denir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar