واکنش هسته ای (NR) - فرآیندی که در آن هسته یک اتم با خرد کردن یا ترکیب شدن با هسته یک اتم دیگر تغییر می کند. بنابراین، باید منجر به تبدیل حداقل یک هسته به هسته دیگر شود. گاهی اوقات، اگر یک هسته با هسته یا ذره دیگر بدون تغییر ماهیت هیچ هسته ای برهمکنش داشته باشد، این فرآیند به عنوان پراکندگی هسته ای نامیده می شود. شاید قابل توجه ترین واکنش های همجوشی عناصر نور باشد که بر تولید انرژی ستاره ها و خورشید تأثیر می گذارد. واکنش های طبیعی نیز در برهم کنش پرتوهای کیهانی با ماده رخ می دهد.
راکتور هسته ای طبیعی
قابل توجه ترین واکنش کنترل شده توسط انسان، واکنش شکافت است که در راکتورهای هسته ای رخ می دهد. اینها وسایلی برای شروع و کنترل یک واکنش زنجیره ای هسته ای هستند. اما تنها راکتورهای مصنوعی وجود ندارد. اولین رآکتور هسته ای طبیعی جهان در سال 1972 در Oklo در گابن توسط فیزیکدان فرانسوی فرانسیس پرین کشف شد.
شرایط تولید انرژی طبیعی یک واکنش هسته ای در سال 1956 توسط پل کازوئو کورودا پیش بینی شد. تنها مکان شناخته شده درجهان متشکل از 16 مکان است که در آنها واکنش های خودپایدار از این نوع رخ داده است. اعتقاد بر این است که این حدود 1.7 میلیارد سال پیش بوده و برای چند صد هزار سال ادامه داشته است، همانطور که ایزوتوپ های زنون (یک گاز حاصل از شکافت) و نسبت های مختلف U-235/U-238 (غنی سازی طبیعی اورانیوم) نشان می دهند.
شکافت هسته ای
نمودار انرژی اتصال نشان می دهد که هسته های با جرم بیشتر از 130 a.m.u. باید به طور خود به خود از یکدیگر جدا شوند تا هسته های سبک تر و پایدارتری تشکیل دهند. به طور تجربی، دانشمندان دریافته اند که واکنش های شکافت خود به خودی عناصر یک واکنش هسته ای تنها برای سنگین ترین هسته ها با تعداد جرمی 230 یا بیشتر رخ می دهد. حتی اگر این کار انجام شود، بسیار کند است. به عنوان مثال، نیمه عمر برای شکافت خود به خودی 238 U، 10-16 سال یا حدود دو میلیون برابر بیشتر از سن سیاره ما است! واکنش های شکافت را می توان با تابش نمونه های هسته های سنگین با نوترون های حرارتی کند القا کرد. به عنوان مثال، وقتی 235 U یک نوترون حرارتی را جذب می کند، به دو ذره با جرم ناهموار تقسیم می شود و به طور متوسط 2.5 نوترون آزاد می کند.
جذب نوترون 238 U باعث ایجاد ارتعاشاتی در هسته می شود که آن را تغییر شکل می دهد تا زمانی که به قطعات تقسیم شود، درست همانطور که یک قطره مایع می تواند به قطرات کوچکتر خرد شود. بیش از 370 نوکلید دختر با جرم اتمی بین 72 تا 161 صبح. در طی شکافت توسط یک نوترون حرارتی 235U، شامل دو محصول، تشکیل می شوند.در زیر نشان داده شده است.
ایزوتوپ های یک واکنش هسته ای، مانند اورانیوم، تحت شکافت القایی قرار می گیرند. اما تنها ایزوتوپ طبیعی 235 U به وفور تنها 0.72 درصد وجود دارد. شکافت القایی این ایزوتوپ به طور متوسط 200 مگا ولت در هر اتم یا 80 میلیون کیلوژول در هر گرم 235 U آزاد می کند. جاذبه شکافت هسته ای به عنوان منبع انرژی را می توان با مقایسه این مقدار با 50 کیلوژول بر گرم آزاد شده در هنگام طبیعی درک کرد. گاز سوخته است.
اولین راکتور هسته ای
اولین راکتور هسته ای مصنوعی توسط انریکو فرمی و همکارانش در استادیوم فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و در 2 دسامبر 1942 به بهره برداری رسید. این راکتور که چندین کیلووات نیرو تولید می‌کرد، متشکل از انبوهی از 385 تن بلوک‌های گرافیتی بود که در لایه‌هایی در اطراف شبکه مکعبی 40 تنی اورانیوم و اکسید اورانیوم چیده شده بودند. شکافت خود به خود 238 U یا 235 U در این راکتور نوترون بسیار کمی تولید کرد. اما اورانیوم به اندازه کافی وجود داشت، بنابراین یکی از این نوترون ها باعث ایجاد شکافت هسته 235 U شد و در نتیجه به طور متوسط 2.5 نوترون آزاد کرد که شکافت 235 هسته اضافی U را در یک واکنش زنجیره ای (واکنش های هسته ای) کاتالیز کرد.
مقدار مواد شکافت پذیر مورد نیاز برای حفظ یک واکنش زنجیره ای جرم بحرانی نامیده می شود. فلش‌های سبز نشان می‌دهند که هسته اورانیوم در دو قطعه شکافتی که نوترون‌های جدید منتشر می‌کنند، می‌شوند. برخی از این نوترون ها می توانند واکنش های شکافت جدیدی (فلش های سیاه) ایجاد کنند. بعضی ازنوترون ها ممکن است در فرآیندهای دیگر از بین بروند (فلش های آبی). فلش‌های قرمز، نوترون‌های تاخیری را نشان می‌دهند که دیرتر از قطعات شکافت رادیواکتیو می‌رسند و می‌توانند واکنش‌های شکافت جدیدی را ایجاد کنند.
تعیین واکنش های هسته ای
بیایید به خواص اساسی اتم ها، از جمله عدد اتمی و جرم اتمی نگاه کنیم. عدد اتمی تعداد پروتون‌های هسته یک اتم است و ایزوتوپ‌ها عدد اتمی یکسانی دارند اما در تعداد نوترون‌ها با هم تفاوت دارند. اگر هسته های اولیه با a و b و هسته های حاصل با c و d نشان داده شوند، واکنش را می توان با معادله ای که در زیر می بینید نشان داد.
کدام واکنش های هسته ای به جای استفاده از معادلات کامل، ذرات نور را خنثی می کنند؟ در بسیاری از موقعیت ها، فرم فشرده برای توصیف چنین فرآیندهایی استفاده می شود: a (b، c) d معادل a + b است که c + d را تولید می کند. ذرات نور اغلب مخفف می شوند: معمولا p مخفف پروتون، n برای نوترون، d برای دوترون، α برای آلفا یا هلیوم-4، β برای بتا یا الکترون، γ برای فوتون گاما، و غیره است.
انواع واکنش های هسته ای
اگرچه تعداد چنین واکنش های ممکن بسیار زیاد است، اما می توان آنها را بر اساس نوع طبقه بندی کرد. بیشتر این واکنش ها با تشعشعات گاما همراه است. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
- پراکندگی الاستیک. زمانی رخ می دهد که هیچ انرژی بین هسته هدف و ذره ورودی منتقل نشود.
- پراکندگی غیر کشسان. هنگام انتقال انرژی رخ می دهد. تفاوت در انرژی های جنبشی در هسته برانگیخته حفظ می شود.
- عکس العمل ها را ثبت کنید. هر دو شارژ وذرات خنثی را می توان توسط هسته گرفت. این با انتشار پرتوهای ɣ همراه است. ذرات واکنش‌های هسته‌ای در واکنش جذب نوترون، هسته‌های رادیواکتیو (رادیواکتیویته القایی) نامیده می‌شوند.
- واکنش های انتقال. جذب یک ذره، همراه با گسیل یک یا چند ذره، واکنش انتقال نامیده می شود.
- واکنش های شکافت. شکافت هسته ای واکنشی است که در آن هسته اتم به قطعات کوچکتر (هسته های سبک تر) تقسیم می شود. فرآیند شکافت اغلب نوترون‌ها و فوتون‌های آزاد (به شکل پرتوهای گاما) تولید می‌کند و مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کند.
- واکنش های همجوشی. زمانی رخ می دهد که دو یا چند هسته اتمی با سرعت بسیار بالایی برخورد می کنند و با هم ترکیب می شوند و نوع جدیدی از هسته اتمی را تشکیل می دهند. ذرات هسته ای همجوشی دوتریوم-تریتیوم به دلیل پتانسیل آنها برای تامین انرژی در آینده از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند.
- واکنش های تقسیم. زمانی اتفاق می‌افتد که هسته‌ای با ذره‌ای با انرژی و تکانه کافی برخورد می‌کند تا چند قطعه کوچک را از بین ببرد یا آن را به قطعات زیادی بشکند.
- واکنش های بازآرایی. این جذب یک ذره است که با انتشار یک یا چند ذره همراه است:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S، 28Si) 58Ni
واکنش‌های بازآرایی مختلف تعداد نوترون‌ها و تعداد پروتون‌ها را تغییر می‌دهند.
فروپاشی هسته ای
واکنش های هسته ای زمانی رخ می دهند که یک اتم ناپایدار انرژی خود را از دست می دهدتابش - تشعشع. این یک فرآیند تصادفی در سطح اتم های منفرد است، زیرا طبق نظریه کوانتومی نمی توان پیش بینی کرد که یک اتم منفرد چه زمانی تجزیه می شود.
انواع مختلفی از واپاشی رادیواکتیو وجود دارد:
- رادیواکتیویته آلفا. ذرات آلفا از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده اند که با ذره ای شبیه به هسته هلیوم به هم متصل شده اند. به دلیل جرم بسیار زیاد و بار آن، مواد را به شدت یونیزه می کند و برد بسیار کوتاهی دارد.
- رادیواکتیویته بتا. این پوزیترون ها یا الکترون های پرانرژی و پرسرعت هستند که از انواع خاصی از هسته های رادیواکتیو مانند پتاسیم 40 ساطع می شوند. ذرات بتا دامنه نفوذ بیشتری نسبت به ذرات آلفا دارند، اما باز هم بسیار کمتر از پرتوهای گاما هستند. ذرات بتا پرتاب شده نوعی پرتوهای یونیزه هستند که به عنوان پرتوهای بتا واکنش زنجیره ای هسته ای نیز شناخته می شوند. تولید ذرات بتا را فروپاشی بتا می نامند.
- رادیواکتیویته گاما. پرتوهای گاما پرتوهای الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار بالا هستند و بنابراین فوتون های پر انرژی هستند. زمانی که هسته‌ها از حالت پرانرژی به حالت پایین‌تر به نام واپاشی گاما می‌روند، تجزیه می‌شوند. بیشتر واکنش های هسته ای با تشعشعات گاما همراه است.
- انتشار نوترون. انتشار نوترون نوعی فروپاشی رادیواکتیو هسته‌های حاوی نوترون‌های اضافی (به‌ویژه محصولات شکافت) است که در آن نوترون به سادگی از هسته خارج می‌شود. این نوعتشعشع نقش کلیدی در کنترل راکتورهای هسته ای ایفا می کند زیرا این نوترون ها با تأخیر مواجه می شوند.
انرژی
Q-مقدار انرژی یک واکنش هسته ای مقدار انرژی آزاد شده یا جذب شده در طول واکنش است. به آن تعادل انرژی یا Q-value واکنش می گویند. این انرژی به عنوان تفاوت بین انرژی جنبشی محصول و مقدار واکنش دهنده بیان می شود.
نمای کلی واکنش: x + X ⟶ Y + y + Q…… (i) x + X ⟶ Y + y + Q…… (i)، که در آن x و X واکنش دهنده هستند، و y و Y محصول واکنش است که می تواند انرژی یک واکنش هسته ای را تعیین کند، Q تعادل انرژی است.
Q-value NR به انرژی آزاد شده یا جذب شده در یک واکنش اشاره دارد. به آن تعادل انرژی NR نیز می گویند که بسته به ماهیت می تواند مثبت یا منفی باشد.
اگر Q-value مثبت باشد، واکنش گرمازا خواهد بود که به آن اگزورژیک نیز می گویند. او انرژی آزاد می کند. اگر مقدار Q منفی باشد، واکنش آندورژیک یا گرماگیر است. چنین واکنش هایی با جذب انرژی انجام می شود.
در فیزیک هسته ای، چنین واکنش هایی با مقدار Q تعریف می شوند، به عنوان تفاوت بین مجموع جرم واکنش دهنده های اولیه و محصولات نهایی. در واحد انرژی MeV اندازه گیری می شود. یک واکنش معمولی را در نظر بگیرید که در آن پرتابه a و هدف A به دو محصول B و b تسلیم می شوند.
این را می توان اینگونه بیان کرد: a + A → B + B یا حتی در نماد فشرده تر - A (a, b) B. انواع انرژی در یک واکنش هسته ای و معنای این واکنشبا فرمول تعیین می شود:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, که با انرژی جنبشی اضافی محصولات نهایی همزمان است:
Q=T نهایی - T اولیه
برای واکنش هایی که در آنها انرژی جنبشی محصولات افزایش می یابد، Q مثبت است. واکنش‌های Q مثبت گرمازا (یا اگزوژن) نامیده می‌شوند.
آزاد شدن خالص انرژی وجود دارد، زیرا انرژی جنبشی حالت نهایی بیشتر از حالت اولیه است. برای واکنش هایی که در آنها کاهش انرژی جنبشی محصولات مشاهده می شود، Q منفی است.
نیمه عمر
نیمه عمر یک ماده رادیواکتیو یک ثابت مشخصه است. زمان لازم برای کاهش مقدار معینی از ماده از طریق فروپاشی و در نتیجه تابش به نصف کاهش می یابد.
باستان شناسان و زمین شناسان از نیمه عمر تا به امروز بر روی اشیاء آلی در فرآیندی به نام تاریخ گذاری کربنی استفاده می کنند. در طول واپاشی بتا، کربن 14 به نیتروژن 14 تبدیل می شود. در زمان مرگ، موجودات زنده تولید کربن 14 را متوقف می کنند. از آنجا که نیمه عمر ثابت است، نسبت کربن 14 به نیتروژن 14 معیاری برای سن نمونه ارائه می دهد.
در زمینه پزشکی، منابع انرژی واکنش‌های هسته‌ای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو کبالت ۶۰ هستند که برای پرتودرمانی برای کوچک کردن تومورهایی که بعداً با جراحی برداشته می‌شوند یا برای کشتن سلول‌های سرطانی در شرایط غیرقابل عمل استفاده شده است.تومورها هنگامی که به نیکل پایدار تجزیه می شود، دو انرژی نسبتاً بالا - اشعه گاما - ساطع می کند. امروزه سیستم های پرتودرمانی پرتوی الکترونی جایگزین آن شده است.
نیمه عمر ایزوتوپ از برخی نمونه ها:
- اکسیژن 16 - بی نهایت؛
- اورانیوم 238 - 4,460,000,000 سال؛
- اورانیوم 235 - 713,000,000 سال؛
- کربن 14 - 5730 سال؛
- کبالت 60 - 5، 27 ساله؛
- نقره 94 - 0.42 ثانیه.
تعیین رادیوکربن
با سرعت بسیار ثابتی، کربن 14 ناپایدار به تدریج به کربن 12 تجزیه می شود. نسبت این ایزوتوپ های کربن سن برخی از قدیمی ترین ساکنان زمین را نشان می دهد.
تعیین سن‌یابی رادیوکربنی روشی است که تخمین‌های عینی از سن مواد مبتنی بر کربن ارائه می‌کند. سن را می توان با اندازه گیری مقدار کربن 14 موجود در نمونه و مقایسه آن با مرجع استاندارد بین المللی تخمین زد.
تاثیر تاریخ گذاری رادیوکربن بر دنیای مدرن، آن را به یکی از مهم ترین اکتشافات قرن بیستم تبدیل کرده است. گیاهان و حیوانات در طول زندگی خود کربن 14 را از دی اکسید کربن جذب می کنند. وقتی می میرند، تبادل کربن با بیوسفر را متوقف می کنند و محتوای کربن 14 آنها با سرعتی که توسط قانون واپاشی رادیواکتیو تعیین می شود شروع به کاهش می کند.
تعیین رادیوکربن اساساً روشی برای اندازه گیری رادیواکتیویته باقی مانده است. با دانستن اینکه چه مقدار کربن 14 در نمونه باقی مانده است، می توانید متوجه شویدسن ارگانیسم هنگام مرگ لازم به ذکر است که نتایج تاریخ‌گذاری رادیوکربن نشان می‌دهد که ارگانیسم چه زمانی زنده بوده است.
روش های اساسی برای اندازه گیری رادیو کربن
سه روش اصلی برای اندازه‌گیری کربن 14 در هر محاسبه متناسب نمونه‌بردار، شمارنده سوسوزن مایع و طیف‌سنجی جرمی شتاب‌دهنده استفاده می‌شود.
شمارش گازهای متناسب یک تکنیک رادیومتری رایج است که ذرات بتا ساطع شده از یک نمونه معین را در نظر می گیرد. ذرات بتا محصولات پوسیدگی کربن رادیویی هستند. در این روش ابتدا نمونه کربن به گاز دی اکسید کربن تبدیل می شود و سپس در متر متناسب گاز اندازه گیری می شود.
شمارش سیال سوسوزن روش دیگری برای تعیین تاریخ‌گذاری رادیوکربن است که در دهه 1960 رایج بود. در این روش نمونه به صورت مایع است و یک سوسوزن به آن اضافه می شود. این سوسوزن هنگامی که با یک ذره بتا برهمکنش می کند فلاش نور ایجاد می کند. لوله نمونه بین دو فتو ضرب‌کننده عبور داده می‌شود و هنگامی که هر دو دستگاه فلاش نور را ثبت می‌کنند، شمارش انجام می‌شود.
فواید علم هسته ای
قوانین واکنش های هسته ای در طیف گسترده ای از شاخه های علم و فناوری مانند پزشکی، انرژی، زمین شناسی، فضا و حفاظت از محیط زیست استفاده می شود. پزشکی هسته ای و رادیولوژی روش های پزشکی هستند که شامل استفاده از پرتو یا رادیواکتیویته برای تشخیص، درمان و پیشگیری است.بیماری ها در حالی که رادیولوژی تقریباً یک قرن است که مورد استفاده قرار گرفته است، اصطلاح "پزشکی هسته ای" حدود 50 سال پیش شروع به استفاده کرد.
نیروی هسته‌ای برای دهه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است و یکی از سریع‌ترین گزینه‌های انرژی در حال رشد برای کشورهایی است که به دنبال راه‌حل‌های امنیت انرژی و کاهش انتشار انرژی هستند.
باستان شناسان از طیف گسترده ای از روش های هسته ای برای تعیین سن اجرام استفاده می کنند. آثاری مانند کفن تورین، طومارهای دریای مرده و تاج شارلمانی را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های هسته‌ای تاریخ‌گذاری و تأیید کرد.
تکنیک های هسته ای در جوامع کشاورزی برای مبارزه با بیماری ها استفاده می شود. منابع رادیواکتیو به طور گسترده در صنعت معدن استفاده می شود. به عنوان مثال، آنها در آزمایش غیر مخرب انسداد در خطوط لوله و جوش، در اندازه گیری چگالی مواد پانچ استفاده می شوند.
علوم هسته ای نقش ارزشمندی در کمک به ما در درک تاریخچه محیط زیست ایفا می کند.
