Reaksioni bërthamor (NR) - një proces në të cilin bërthama e një atomi ndryshon duke shtypur ose duke u kombinuar me bërthamën e një atomi tjetër. Kështu, ajo duhet të çojë në transformimin e të paktën një nuklidi në një tjetër. Ndonjëherë, nëse një bërthamë ndërvepron me një bërthamë ose grimcë tjetër pa ndryshuar natyrën e ndonjë nuklidi, procesi quhet shpërndarje bërthamore. Ndoshta më të dukshmet janë reaksionet e shkrirjes së elementeve të dritës, të cilat ndikojnë në prodhimin e energjisë së yjeve dhe diellit. Reaksionet natyrore ndodhin edhe në bashkëveprimin e rrezeve kozmike me lëndën.
Reaktor bërthamor natyror
Reagimi më i dukshëm i kontrolluar nga njeriu është reaksioni i ndarjes që ndodh në reaktorët bërthamorë. Këto janë pajisje për fillimin dhe kontrollin e një reaksioni zinxhir bërthamor. Por nuk ka vetëm reaktorë artificialë. Reaktori i parë natyror bërthamor në botë u zbulua në vitin 1972 në Oklo në Gabon nga fizikani francez Francis Perrin.
Kushtet në të cilat mund të gjenerohej energjia natyrore e një reaksioni bërthamor u parashikuan në vitin 1956 nga Paul Kazuo Kuroda. I vetmi vend i njohur nëbota përbëhet nga 16 vende në të cilat kanë ndodhur reagime vetë-qëndruese të këtij lloji. Kjo besohet të ketë qenë rreth 1.7 miliardë vjet më parë dhe vazhdoi për disa qindra mijëra vjet, siç dëshmohet nga izotopet e ksenonit (një gaz produkti i ndarjes) dhe raportet e ndryshme të U-235/U-238 (pasurimi natyror i uraniumit).
Fision bërthamor
Graca e energjisë lidhëse sugjeron që nuklidet me masë më të madhe se 130 a.m.u. duhet të ndahen spontanisht nga njëri-tjetri për të formuar nuklide më të lehta dhe më të qëndrueshme. Eksperimentalisht, shkencëtarët kanë zbuluar se reaksionet spontane të ndarjes së elementeve të një reaksioni bërthamor ndodhin vetëm për nuklidet më të rënda me një numër masiv prej 230 ose më shumë. Edhe nëse kjo bëhet, është shumë e ngad altë. Gjysma e jetës për ndarjen spontane të 238 U, për shembull, është 10-16 vjet, ose rreth dy milionë herë më e gjatë se mosha e planetit tonë! Reaksionet e ndarjes mund të shkaktohen nga rrezatimi i mostrave të nuklideve të rënda me neutrone termike të ngad alta. Për shembull, kur 235 U thith një neutron termik, ai ndahet në dy grimca me masë të pabarabartë dhe çliron mesatarisht 2,5 neutrone.
Përthithja e neutronit 238 U shkakton dridhje në bërthamë, të cilat e deformojnë atë derisa të copëtohet në fragmente, ashtu si një pikë lëngu mund të copëtohet në pika më të vogla. Më shumë se 370 nuklide bija me masa atomike midis 72 dhe 161 të mëngjesit. janë formuar gjatë ndarjes nga një neutron termik 235U, duke përfshirë dy produkte,treguar më poshtë.
Izotopet e një reaksioni bërthamor, si uraniumi, i nënshtrohen ndarjes së induktuar. Por i vetmi izotop natyror 235 U është i pranishëm me bollëk në vetëm 0.72%. Ndarja e induktuar e këtij izotopi lëshon mesatarisht 200 MeV për atom, ose 80 milionë kiloxhaulë për gram prej 235 U. Tërheqja e ndarjes bërthamore si burim energjie mund të kuptohet duke krahasuar këtë vlerë me 50 kJ/g të çliruar kur është e natyrshme. gazi është djegur.
Reaktori i parë bërthamor
Reaktori i parë artificial bërthamor u ndërtua nga Enrico Fermi dhe bashkëpunëtorët e stadiumit të futbollit të Universitetit të Çikagos dhe u vu në punë më 2 dhjetor 1942. Ky reaktor, i cili prodhonte disa kilovat energji, përbëhej nga një grumbull prej 385 tonësh blloqe grafiti të grumbulluara në shtresa rreth një rrjete kub prej 40 tonësh uranium dhe oksid uraniumi. Ndarja spontane e 238 U ose 235 U në këtë reaktor prodhoi shumë pak neutrone. Por kishte uranium të mjaftueshëm, kështu që njëri prej këtyre neutroneve shkaktoi ndarje të bërthamës 235 U, duke lëshuar kështu një mesatare prej 2.5 neutronesh, të cilat katalizuan ndarjen e 235 bërthamave shtesë U në një reaksion zinxhir (reaksione bërthamore).
Sasia e materialit të zbërthyeshëm që kërkohet për të mbajtur një reaksion zinxhir quhet masë kritike. Shigjetat e gjelbra tregojnë ndarjen e bërthamës së uraniumit në dy fragmente të ndarjes që lëshojnë neutrone të reja. Disa nga këto neutrone mund të shkaktojnë reaksione të reja të ndarjes (shigjeta të zeza). Disa nganeutronet mund të humbasin në procese të tjera (shigjeta blu). Shigjetat e kuqe tregojnë neutronet e vonuara që vijnë më vonë nga fragmentet e ndarjes radioaktive dhe mund të shkaktojnë reaksione të reja të ndarjes.
Përcaktimi i reaksioneve bërthamore
Le të shohim vetitë themelore të atomeve, duke përfshirë numrin atomik dhe masën atomike. Numri atomik është numri i protoneve në bërthamën e një atomi, dhe izotopet kanë të njëjtin numër atomik, por ndryshojnë në numrin e neutroneve. Nëse bërthamat fillestare shënohen a dhe b, dhe bërthamat e produktit shënohen c dhe d, atëherë reaksioni mund të përfaqësohet nga ekuacioni që mund të shihni më poshtë.
Cilat reaksione bërthamore anulojnë grimcat e lehta në vend që të përdorin ekuacione të plota? Në shumë situata, forma kompakte përdoret për të përshkruar procese të tilla: a (b, c) d është ekuivalente me a + b që prodhon c + d. Grimcat e dritës shpesh janë shkurtuar: zakonisht p do të thotë proton, n për neutron, d për deuteron, α për alfa ose helium-4, β për beta ose elektron, γ për foton gama, etj.
Llojet e reaksioneve bërthamore
Megjithëse numri i reagimeve të tilla të mundshme është i madh, ato mund të renditen sipas llojit. Shumica e këtyre reaksioneve shoqërohen nga rrezatimi gama. Këtu janë disa shembuj:
- Shpërndarje elastike. Ndodh kur nuk transferohet energji midis bërthamës së synuar dhe grimcës hyrëse.
- Shpërndarje joelastike. Ndodh kur transferohet energjia. Diferenca në energjitë kinetike ruhet në nuklidin e ngacmuar.
- Kap reaksionet. të dy të ngarkuar dhegrimcat neutrale mund të kapen nga bërthamat. Kjo shoqërohet me emetimin e rrezeve ɣ. Grimcat e reaksioneve bërthamore në reaksionin e kapjes së neutronit quhen nuklide radioaktive (radioaktiviteti i induktuar).
- Reaksionet e transmetimit. Thithja e një grimce, e shoqëruar me emetimin e një ose më shumë grimcave, quhet reaksion transferimi.
- Reaksionet e ndarjes. Fisioni bërthamor është një reaksion në të cilin bërthama e një atomi ndahet në copa më të vogla (bërthamë më të lehta). Procesi i ndarjes shpesh prodhon neutrone dhe fotone të lira (në formën e rrezeve gama) dhe çliron sasi të mëdha energjie.
- Reaksionet e shkrirjes. Ndodhin kur dy ose më shumë bërthama atomike përplasen me një shpejtësi shumë të lartë dhe kombinohen për të formuar një lloj të ri të bërthamës atomike. Grimcat bërthamore të shkrirjes deuterium-tritium janë me interes të veçantë për shkak të potencialit të tyre për të siguruar energji në të ardhmen.
- Reaksionet e ndarjes. Ndodh kur një bërthamë goditet nga një grimcë me energji dhe vrull të mjaftueshëm për të rrëzuar disa fragmente të vogla ose për ta thyer atë në shumë fragmente.
- Reaksionet e rirregullimit. Ky është thithja e një grimce, e shoqëruar me emetimin e një ose më shumë grimcave:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Ai (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Reaksionet e ndryshme të rirregullimit ndryshojnë numrin e neutroneve dhe numrin e protoneve.
prishje bërthamore
Reaksionet bërthamore ndodhin kur një atom i paqëndrueshëm humbet energji përmesrrezatimi. Është një proces i rastësishëm në nivelin e atomeve të vetme, pasi sipas teorisë kuantike është e pamundur të parashikohet se kur një atom individual do të kalbet.
Ka shumë lloje të kalbjes radioaktive:
- Radioaktiviteti alfa. Grimcat alfa përbëhen nga dy protone dhe dy neutrone të lidhura së bashku me një grimcë identike me bërthamën e heliumit. Për shkak të masës së tij shumë të madhe dhe ngarkesës së tij, ai jonizon fort materialin dhe ka një shtrirje shumë të shkurtër.
- Radioaktiviteti beta. Janë pozitrone ose elektrone me energji të lartë, me shpejtësi të lartë, të emetuara nga disa lloje të bërthamave radioaktive, si kaliumi-40. Grimcat beta kanë një gamë më të madhe depërtimi se grimcat alfa, por ende shumë më pak se rrezet gama. Grimcat beta të nxjerra janë një formë e rrezatimit jonizues, i njohur gjithashtu si rrezet beta të reaksionit zinxhir bërthamor. Prodhimi i grimcave beta quhet zbërthimi beta.
- Radioaktiviteti gama. Rrezet gama janë rrezatim elektromagnetik me frekuencë shumë të lartë dhe për këtë arsye janë fotone me energji të lartë. Ato formohen kur bërthamat prishen ndërsa kalojnë nga një gjendje me energji të lartë në një gjendje më të ulët të njohur si zbërthimi gama. Shumica e reaksioneve bërthamore shoqërohen nga rrezatimi gama.
- Emetim neutron. Emetimi i neutronit është një lloj zbërthimi radioaktiv i bërthamave që përmbajnë neutrone të tepërta (veçanërisht produktet e ndarjes), në të cilën neutroni thjesht nxirret nga bërthama. Ky llojrrezatimi luan një rol kyç në kontrollin e reaktorëve bërthamorë sepse këto neutrone vonohen.
Energji
Vlera Q e energjisë së një reaksioni bërthamor është sasia e energjisë së çliruar ose e absorbuar gjatë reaksionit. Quhet bilanci i energjisë, ose Q-vlera e reaksionit. Kjo energji shprehet si diferencë ndërmjet energjisë kinetike të produktit dhe sasisë së reaktantit.
Pamje e përgjithshme e reaksionit: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), ku x dhe X janë reaktantë, dhe y dhe Y janë produkt reaksioni, i cili mund të përcaktojë energjinë e një reaksioni bërthamor, Q është bilanci i energjisë.
Q-vlera NR i referohet energjisë së çliruar ose të absorbuar në një reaksion. Quhet edhe bilanci i energjisë NR, i cili mund të jetë pozitiv ose negativ në varësi të natyrës.
Nëse vlera Q është pozitive, reagimi do të jetë ekzotermik, i quajtur edhe ekzoergjik. Ajo çliron energji. Nëse vlera Q është negative, reaksioni është endoergjik ose endotermik. Reaksione të tilla kryhen duke thithur energji.
Në fizikën bërthamore, reaksione të tilla përcaktohen nga vlera Q, si diferenca midis shumës së masave të reaktantëve fillestarë dhe produkteve përfundimtare. Ajo matet në njësi të energjisë MeV. Merrni parasysh një reaksion tipik në të cilin predha a dhe objektivi A u jepen dy produkteve B dhe b.
Kjo mund të shprehet kështu: a + A → B + B, ose edhe në një shënim më kompakt - A (a, b) B. Llojet e energjive në një reaksion bërthamor dhe kuptimi i këtij reaksionipërcaktohet nga formula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, që përkon me energjinë e tepërt kinetike të produkteve përfundimtare:
Q=T përfundimtar - T fillestar
Për reaksionet në të cilat ka një rritje të energjisë kinetike të produkteve, Q është pozitive. Reaksionet pozitive Q quhen ekzotermike (ose ekzogjene).
Ka një çlirim neto të energjisë, pasi energjia kinetike e gjendjes përfundimtare është më e madhe se në gjendjen fillestare. Për reaksionet në të cilat vërehet një rënie në energjinë kinetike të produkteve, Q është negative.
Gjysmë-jeta
Gjysmëjeta e një lënde radioaktive është një konstante karakteristike. Ai mat kohën e nevojshme që një sasi e caktuar lënde të zvogëlohet përgjysmë përmes kalbjes dhe rrjedhimisht rrezatimit.
Arkeologët dhe gjeologët përdorin gjysmën e jetës deri më sot në objekte organike në një proces të njohur si datimi me karbon. Gjatë zbërthimit beta, karboni 14 shndërrohet në azot 14. Në momentin e vdekjes, organizmat ndalojnë së prodhuari karbonin 14. Për shkak se gjysma e jetës është konstante, raporti i karbonit 14 ndaj azotit 14 siguron një masë të moshës së kampionit.
Në fushën mjekësore, burimet e energjisë së reaksioneve bërthamore janë izotopet radioaktive të Kob altit 60, i cili është përdorur për terapi rrezatimi për të tkurrur tumoret që më vonë do të hiqen në mënyrë kirurgjikale, ose për të vrarë qelizat kancerogjene në rastet e paoperueshme.tumoret. Kur zbërthehet në nikel të qëndrueshëm, ai lëshon dy energji relativisht të larta - rrezet gama. Sot ajo po zëvendësohet nga sistemet e radioterapisë me rreze elektronike.
Gjysmëjeta e izotopit nga disa mostra:
- oksigjen 16 - i pafund;
- uranium 238 - 4,460,000,000 vjet;
- uranium 235 - 713,000,000 vjet;
- karbon 14 - 5730 vjet;
- kob alt 60 - 5, 27 vjeç;
- argjendi 94 - 0,42 sekonda.
Daktim me radiokarbon
Me një ritëm shumë të qëndrueshëm, karboni i paqëndrueshëm 14 gradualisht zbërthehet në karbon 12. Raporti i këtyre izotopeve të karbonit zbulon moshën e disa prej banorëve më të vjetër të Tokës.
Taktimi me radiokarbon është një metodë që ofron vlerësime objektive të moshës së materialeve me bazë karboni. Mosha mund të vlerësohet duke matur sasinë e karbonit 14 të pranishëm në një kampion dhe duke e krahasuar atë me një referencë standarde ndërkombëtare.
Ndikimi i datimit me radiokarbon në botën moderne e ka bërë atë një nga zbulimet më domethënëse të shekullit të 20-të. Bimët dhe kafshët asimilojnë karbonin 14 nga dioksidi i karbonit gjatë gjithë jetës së tyre. Kur ata vdesin, ata ndalojnë shkëmbimin e karbonit me biosferën dhe përmbajtja e tyre e karbonit 14 fillon të bjerë me një ritëm të përcaktuar nga ligji i kalbjes radioaktive.
Taktimi me radiokarbon është në thelb një metodë për matjen e radioaktivitetit të mbetur. Duke ditur se sa karbon 14 ka mbetur në mostër, mund ta zbulonimosha e organizmit kur ka vdekur. Duhet të theksohet se rezultatet e datimit me radiokarbon tregojnë se kur organizmi ishte gjallë.
Metodat bazë për matjen e radiokarbonit
Ka tre metoda kryesore të përdorura për të matur karbonin 14 në çdo llogaritje proporcionale të kampionit të caktuar, numëruesin e scintilimit të lëngshëm dhe spektrometrinë e masës së përshpejtuesit.
Numërimi proporcional i gazit është një teknikë e zakonshme e takimit radiometrik që merr parasysh grimcat beta të emetuara nga një kampion i caktuar. Grimcat beta janë produkte të kalbjes së radiokarbonit. Në këtë metodë, kampioni i karbonit konvertohet fillimisht në gaz dioksid karboni përpara se të matet në metra proporcional të gazit.
Numërimi i lëngut scintilues është një tjetër metodë e datimit me radiokarbon që ishte e njohur në vitet 1960. Në këtë metodë, kampioni është në formë të lëngshme dhe shtohet një scintilator. Ky scintilator krijon një ndezje drite kur ndërvepron me një grimcë beta. Tubi i mostrës kalohet midis dy fotoshumëzimit dhe kur të dyja pajisjet regjistrojnë një ndezje drite, bëhet një numërim.
Përfitimet e shkencës bërthamore
Ligjet e reaksioneve bërthamore përdoren në një gamë të gjerë degësh të shkencës dhe teknologjisë, si mjekësia, energjia, gjeologjia, hapësira dhe mbrojtja e mjedisit. Mjekësia bërthamore dhe radiologjia janë praktika mjekësore që përfshijnë përdorimin e rrezatimit ose radioaktivitetit për diagnostikimin, trajtimin dhe parandalimin.sëmundjet. Ndërsa radiologjia ka qenë në përdorim për gati një shekull, termi "ilaç nuklear" filloi të përdoret rreth 50 vjet më parë.
Energjia bërthamore ka qenë në përdorim për dekada dhe është një nga opsionet e energjisë me rritje më të shpejtë për vendet që kërkojnë siguri energjetike dhe zgjidhje të kursimit të energjisë me emetim të ulët.
Arkeologët përdorin një gamë të gjerë metodash bërthamore për të përcaktuar moshën e objekteve. Artefakte të tilla si qefini i Torinos, rrotullat e Detit të Vdekur dhe Kurora e Karlit të Madh mund të datohen dhe vërtetohen duke përdorur teknika bërthamore.
Teknikat bërthamore përdoren në komunitetet bujqësore për të luftuar sëmundjet. Burimet radioaktive përdoren gjerësisht në industrinë minerare. Për shembull, ato përdoren në testimin jo shkatërrues të bllokimeve në tubacione dhe saldime, në matjen e densitetit të materialit të shpuar.
Shkenca bërthamore luan një rol të vlefshëm duke na ndihmuar të kuptojmë historinë e mjedisit tonë.
