Reacció nuclear (NR): procés en què el nucli d'un àtom canvia per trituració o combinació amb el nucli d'un altre àtom. Per tant, ha de comportar la transformació d'almenys un nuclid en un altre. De vegades, si un nucli interacciona amb un altre nucli o partícula sense canviar la naturalesa de cap nuclid, el procés es coneix com a dispersió nuclear. Potser les més notables són les reaccions de fusió dels elements lleugers, que afecten la producció d'energia de les estrelles i del sol. Les reaccions naturals també es produeixen en la interacció dels raigs còsmics amb la matèria.
Reactor nuclear natural
La reacció controlada per humans més notable és la reacció de fissió que es produeix als reactors nuclears. Són dispositius per iniciar i controlar una reacció nuclear en cadena. Però no només hi ha reactors artificials. El primer reactor nuclear natural del món va ser descobert l'any 1972 a Oklo, Gabon, pel físic francès Francis Perrin.
Les condicions en què es podria generar l'energia natural d'una reacció nuclear van ser predites l'any 1956 per Paul Kazuo Kuroda. L'únic lloc conegut aEl món consta de 16 llocs on es van produir reaccions autosostenibles d'aquest tipus. Es creu que això va ser fa uns 1.700 milions d'anys i va continuar durant diversos centenars de milers d'anys, com ho demostren els isòtops de xenó (un gas de fissió) i les proporcions variables d'U-235/U-238 (enriquiment d'urani natural).
Fisió nuclear
La gràfica d'energia d'enllaç suggereix que els nucleides amb una massa superior a 130 a.m.u. s'han de separar espontàniament entre si per formar nuclids més lleugers i estables. Experimentalment, els científics han descobert que les reaccions de fissió espontànies dels elements d'una reacció nuclear només es produeixen per als nuclids més pesats amb un nombre de massa de 230 o més. Encara que es faci això, és molt lent. La vida mitjana de la fissió espontània de 238 U, per exemple, és de 10 a 16 anys, o aproximadament dos milions de vegades més que l'edat del nostre planeta! Les reaccions de fissió es poden induir mitjançant la irradiació de mostres de nuclids pesats amb neutrons tèrmics lents. Per exemple, quan 235 U absorbeix un neutró tèrmic, es trenca en dues partícules de massa desigual i allibera una mitjana de 2,5 neutrons.
L'absorció del neutró de 238 U indueix vibracions al nucli, que el deformen fins que es trenca en fragments, de la mateixa manera que una gota de líquid es pot trencar en gotes més petites. Més de 370 nuclids fills amb masses atòmiques entre 72 i 161 a.m.u. es formen durant la fissió per un neutró tèrmic 235U, que inclou dos productes,es mostra a continuació.
Els isòtops d'una reacció nuclear, com l'urani, pateixen una fissió induïda. Però l'únic isòtop natural 235 U és present en abundància a només un 0,72%. La fissió induïda d'aquest isòtop allibera una mitjana de 200 MeV per àtom, o 80 milions de kilojoules per gram de 235 U. L'atracció de la fissió nuclear com a font d'energia es pot entendre comparant aquest valor amb els 50 kJ/g alliberats quan és natural. es crema gas.
Primer reactor nuclear
El primer reactor nuclear artificial va ser construït per Enrico Fermi i col·laboradors a l'estadi de futbol de la Universitat de Chicago i es va posar en funcionament el 2 de desembre de 1942. Aquest reactor, que produïa diversos quilowatts de potència, consistia en una pila de 385 tones de blocs de grafit apilats en capes al voltant d'una xarxa cúbica de 40 tones d'urani i òxid d'urani. La fissió espontània de 238 U o 235 U en aquest reactor va produir molt pocs neutrons. Però hi havia prou urani, de manera que un d'aquests neutrons va induir la fissió del nucli de 235 U, alliberant així una mitjana de 2,5 neutrons, que va catalitzar la fissió de nuclis de 235 U addicionals en una reacció en cadena (reaccions nuclears).
La quantitat de material fissil necessària per mantenir una reacció en cadena s'anomena massa crítica. Les fletxes verdes mostren la divisió del nucli d'urani en dos fragments de fissió que emeten nous neutrons. Alguns d'aquests neutrons poden desencadenar noves reaccions de fissió (fletxes negres). Una mica deels neutrons es poden perdre en altres processos (fletxes blaves). Les fletxes vermelles mostren neutrons retardats que arriben més tard a partir de fragments de fissió radioactiva i poden desencadenar noves reaccions de fissió.
Denominació de les reaccions nuclears
Mirem les propietats bàsiques dels àtoms, inclòs el nombre atòmic i la massa atòmica. El nombre atòmic és el nombre de protons al nucli d'un àtom, i els isòtops tenen el mateix nombre atòmic però difereixen en el nombre de neutrons. Si els nuclis inicials es denoten a i b i els nuclis del producte es denoten c i d, aleshores la reacció es pot representar amb l'equació que podeu veure a continuació.
Quines reaccions nuclears es cancel·len per a les partícules lleugeres en lloc d'utilitzar equacions completes? En moltes situacions, la forma compacta s'utilitza per descriure aquests processos: a (b, c) d és equivalent a a + b que produeix c + d. Les partícules de llum solen abreujar-se: normalment p significa protó, n per neutró, d per deutró, α per alfa o heli-4, β per beta o electró, γ per fotó gamma, etc.
Tipus de reaccions nuclears
Tot i que el nombre de possibles reaccions d'aquest tipus és enorme, es poden ordenar per tipus. La majoria d'aquestes reaccions van acompanyades de radiació gamma. Aquests són alguns exemples:
- Dispersió elàstica. Es produeix quan no es transfereix energia entre el nucli objectiu i la partícula entrant.
- Dispersió inelàstica. Es produeix quan es transfereix energia. La diferència d'energies cinètiques es conserva en el nuclid excitat.
- Captura les reaccions. tant carregats comles partícules neutres poden ser capturades pels nuclis. Això s'acompanya de l'emissió de raigs ɣ. Les partícules de les reaccions nuclears de la reacció de captura de neutrons s'anomenen nuclids radioactius (radiactivitat induïda).
- Reaccions de transmissió. L'absorció d'una partícula, acompanyada de l'emissió d'una o més partícules, s'anomena reacció de transferència.
- Reaccions de fissió. La fissió nuclear és una reacció en la qual el nucli d'un àtom es divideix en peces més petites (nuclis més lleugers). El procés de fissió sovint produeix neutrons i fotons lliures (en forma de raigs gamma) i allibera grans quantitats d'energia.
- Reaccions de fusió. Es produeix quan dos o més nuclis atòmics xoquen a una velocitat molt alta i es combinen per formar un nou tipus de nucli atòmic. Les partícules nuclears de fusió deuteri-triti tenen un interès particular pel seu potencial per proporcionar energia en el futur.
- Reaccions dividides. Es produeix quan un nucli és colpejat per una partícula amb prou energia i impuls per eliminar uns quants petits fragments o trencar-lo en molts fragments.
- Reaccions de reordenació. Aquesta és l'absorció d'una partícula, acompanyada de l'emissió d'una o més partícules:
- 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
Les diferents reaccions de reordenació canvien el nombre de neutrons i el nombre de protons.
Desintegració nuclear
Les reaccions nuclears es produeixen quan un àtom inestable perd energiaradiació. És un procés aleatori a nivell d'àtoms individuals, ja que segons la teoria quàntica és impossible predir quan un àtom individual es desintegrarà.
Hi ha molts tipus de desintegració radioactiva:
- Radioactivitat alfa. Les partícules alfa estan formades per dos protons i dos neutrons units amb una partícula idèntica a un nucli d'heli. A causa de la seva massa molt gran i la seva càrrega, ionitza fortament el material i té un abast molt curt.
- Radioactivitat beta. Es tracta de positrons o electrons d' alta energia i alta velocitat emesos per certs tipus de nuclis radioactius, com el potassi-40. Les partícules beta tenen un rang de penetració més gran que les partícules alfa, però encara molt menys que els raigs gamma. Les partícules beta expulsades són una forma de radiació ionitzant, també coneguda com a raigs beta de reacció en cadena nuclear. La producció de partícules beta s'anomena desintegració beta.
- Radioactivitat gamma. Els raigs gamma són radiacions electromagnètiques de molt alta freqüència i per tant són fotons d' alta energia. Es formen quan els nuclis es desintegren a mesura que passen d'un estat d' alta energia a un estat inferior conegut com a desintegració gamma. La majoria de les reaccions nuclears van acompanyades de radiació gamma.
- Emissió de neutrons. L'emissió de neutrons és un tipus de desintegració radioactiva dels nuclis que contenen un excés de neutrons (especialment productes de fissió), en què el neutró simplement s'expulsa del nucli. Aquest tipusla radiació té un paper clau en el control dels reactors nuclears perquè aquests neutrons es retarden.
Energia
El valor Q de l'energia d'una reacció nuclear és la quantitat d'energia alliberada o absorbida durant la reacció. S'anomena balanç energètic, o valor Q de la reacció. Aquesta energia s'expressa com la diferència entre l'energia cinètica del producte i la quantitat de reactiu.
Vista general de la reacció: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), on x i X són reactius, i y i Y és el producte de la reacció, que pot determinar l'energia d'una reacció nuclear, Q és el balanç energètic.
El valor Q NR es refereix a l'energia alliberada o absorbida en una reacció. També s'anomena balanç energètic NR, que pot ser positiu o negatiu segons la naturalesa.
Si el valor Q és positiu, la reacció serà exotèrmica, també anomenada exoèrgica. Ella allibera energia. Si el valor Q és negatiu, la reacció és endoèrgica o endotèrmica. Aquestes reaccions es duen a terme absorbint energia.
En física nuclear, aquestes reaccions es defineixen pel valor Q, com la diferència entre la suma de les masses dels reactius inicials i els productes finals. Es mesura en unitats d'energia MeV. Considereu una reacció típica en què el projectil a i l'objectiu A cedeixen a dos productes B i b.
Això es pot expressar així: a + A → B + B, o fins i tot en una notació més compacta - A (a, b) B. Tipus d'energies en una reacció nuclear i el significat d'aquesta reacciódeterminat per la fórmula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, que coincideix amb l'excés d'energia cinètica dels productes finals:
Q=T final - T inicial
Per a les reaccions en què hi ha un augment de l'energia cinètica dels productes, Q és positiu. Les reaccions Q positives s'anomenen exotèrmiques (o exògenes).
Hi ha un alliberament net d'energia, ja que l'energia cinètica de l'estat final és més gran que en l'estat inicial. Per a les reaccions en què s'observa una disminució de l'energia cinètica dels productes, Q és negativa.
Vida mitjana
La vida mitjana d'una substància radioactiva és una constant característica. Mesura el temps necessari perquè una quantitat determinada de matèria es redueixi a la meitat mitjançant la desintegració i, per tant, la radiació.
Arqueòlegs i geòlegs utilitzen la semivida fins ara en objectes orgànics en un procés conegut com a datació amb carboni. Durant la desintegració beta, el carboni 14 es converteix en nitrogen 14. En el moment de la mort, els organismes deixen de produir carboni 14. Com que la vida mitjana és constant, la proporció del carboni 14 al nitrogen 14 proporciona una mesura de l'edat de la mostra.
En l'àmbit mèdic, les fonts d'energia de les reaccions nuclears són els isòtops radioactius del cob alt 60, que s'ha utilitzat per a la radioteràpia per reduir tumors que després seran extirpats quirúrgicament, o per matar cèl·lules canceroses en zones inoperables.tumors. Quan decau en níquel estable, emet dues energies relativament altes: raigs gamma. Avui s'està substituint per sistemes de radioteràpia amb feix d'electrons.
Vida mitjana isòtop d'algunes mostres:
- oxigen 16 - infinit;
- urani 238 - 4.460.000.000 anys;
- urani 235 - 713.000.000 anys;
- carbon 14 - 5.730 anys;
- cob alt 60 - 5, 27 anys;
- plata 94 - 0,42 segons.
Cites per radiocarboni
A un ritme molt constant, el carboni 14 inestable es desintegra gradualment en carboni 12. La proporció d'aquests isòtops de carboni revela l'edat d'alguns dels habitants més antics de la Terra.
La datació per radiocarboni és un mètode que proporciona estimacions objectives de l'edat dels materials basats en carboni. L'edat es pot estimar mesurant la quantitat de carboni 14 present en una mostra i comparant-la amb una referència estàndard internacional.
L'impacte de la datació per radiocarboni en el món modern l'ha convertit en un dels descobriments més significatius del segle XX. Les plantes i els animals assimilen el carboni 14 del diòxid de carboni al llarg de la seva vida. Quan moren, deixen d'intercanviar carboni amb la biosfera i el seu contingut de carboni 14 comença a disminuir a una velocitat determinada per la llei de la desintegració radioactiva.
La datació per radiocarboni és essencialment un mètode per mesurar la radioactivitat residual. Sabent quant de carboni 14 queda a la mostra, es pot esbrinarl'edat de l'organisme quan va morir. Cal tenir en compte que els resultats de la datació amb radiocarboni mostren quan l'organisme estava viu.
Mètodes bàsics per mesurar el radiocarboni
Hi ha tres mètodes principals utilitzats per mesurar el carboni 14 en qualsevol càlcul proporcional de mostreig, comptador de centelleig líquid i espectrometria de masses de l'accelerador.
El recompte proporcional de gasos és una tècnica de datació radiomètrica comuna que té en compte les partícules beta emeses per una mostra determinada. Les partícules beta són productes de desintegració del radiocarboni. En aquest mètode, la mostra de carboni es converteix primer en gas diòxid de carboni abans de mesurar-se en comptadors proporcionals de gas.
El recompte de fluids de centelleig és un altre mètode de datació per radiocarboni que va ser popular a la dècada de 1960. En aquest mètode, la mostra està en forma líquida i s'afegeix un centelleador. Aquest centelleador crea un flaix de llum quan interacciona amb una partícula beta. El tub de mostra es fa passar entre dos fotomultiplicadors i quan tots dos dispositius registren un flaix de llum, es fa un recompte.
Els beneficis de la ciència nuclear
Les lleis de les reaccions nuclears s'utilitzen en una àmplia gamma de branques de la ciència i la tecnologia, com la medicina, l'energia, la geologia, l'espai i la protecció del medi ambient. La medicina nuclear i la radiologia són pràctiques mèdiques que impliquen l'ús de la radiació o la radioactivitat per al diagnòstic, tractament i prevenció.mal alties. Tot i que la radiologia s'utilitza des de fa gairebé un segle, el terme "medicina nuclear" es va començar a utilitzar fa uns 50 anys.
L'energia nuclear fa dècades que s'utilitza i és una de les opcions energètiques de més ràpid creixement per als països que busquen seguretat energètica i solucions d'estalvi energètic de baixes emissions.
Els arqueòlegs utilitzen una àmplia gamma de mètodes nuclears per determinar l'edat dels objectes. Els artefactes com el Sudario de Torí, els rotules del mar Mort i la corona de Carlemany es poden datar i autenticar mitjançant tècniques nuclears.
Les tècniques nuclears s'utilitzen a les comunitats agrícoles per combatre les mal alties. Les fonts radioactives s'utilitzen àmpliament a la indústria minera. Per exemple, s'utilitzen en proves no destructives d'obstruccions en canonades i soldadures, per mesurar la densitat del material perforat.
La ciència nuclear té un paper valuós per ajudar-nos a entendre la història del nostre entorn.
