Phản ứng hạt nhân (NR) - một quá trình trong đó hạt nhân của một nguyên tử thay đổi bằng cách nghiền nát hoặc kết hợp với hạt nhân của một nguyên tử khác. Vì vậy, nó phải dẫn đến sự biến đổi của ít nhất một nuclêôtit thành một nuclêôtit khác. Đôi khi, nếu một hạt nhân tương tác với một hạt nhân hoặc hạt khác mà không làm thay đổi bản chất của bất kỳ nuclide nào, thì quá trình này được gọi là sự tán xạ hạt nhân. Có lẽ đáng chú ý nhất là các phản ứng nhiệt hạch của các nguyên tố ánh sáng, ảnh hưởng đến việc sản xuất năng lượng của các ngôi sao và mặt trời. Các phản ứng tự nhiên cũng xảy ra trong sự tương tác của các tia vũ trụ với vật chất.
Lò phản ứng hạt nhân tự nhiên
Phản ứng do con người điều khiển đáng chú ý nhất là phản ứng phân hạch xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân. Đây là những thiết bị để bắt đầu và kiểm soát một chuỗi phản ứng hạt nhân. Nhưng không chỉ có lò phản ứng nhân tạo. Lò phản ứng hạt nhân tự nhiên đầu tiên trên thế giới được nhà vật lý người Pháp Francis Perrin phát hiện vào năm 1972 tại Oklo, Gabon.
Các điều kiện mà năng lượng tự nhiên của phản ứng hạt nhân có thể được tạo ra đã được Paul Kazuo Kuroda dự đoán vào năm 1956. Nơi duy nhất được biết đến ởthế giới bao gồm 16 địa điểm đã xảy ra các phản ứng tự duy trì kiểu này. Điều này được cho là đã có cách đây khoảng 1,7 tỷ năm và tiếp tục trong vài trăm nghìn năm, bằng chứng là đồng vị xenon (khí sản phẩm phân hạch) và các tỷ lệ khác nhau của U-235 / U-238 (làm giàu uranium tự nhiên).
Phân hạch hạt nhân
Biểu đồ năng lượng liên kết gợi ý rằng các nuclôn có khối lượng lớn hơn 130 a.m.u. nên tự tách ra khỏi nhau để tạo thành các nuclêôtit nhẹ và bền hơn. Bằng thực nghiệm, các nhà khoa học nhận thấy rằng phản ứng phân hạch tự phát của các nguyên tố trong phản ứng hạt nhân chỉ xảy ra đối với các nuclôn nặng nhất có số khối từ 230 trở lên. Ngay cả khi điều này được thực hiện, nó là rất chậm. Ví dụ, chu kỳ bán rã của sự phân hạch tự phát của 238 U là 10-16 năm, hoặc dài hơn khoảng hai triệu lần so với tuổi của hành tinh chúng ta! Phản ứng phân hạch có thể được tạo ra bằng cách chiếu xạ các mẫu nuclôn nặng với các nơtron nhiệt chậm. Ví dụ, khi 235 U hấp thụ một nơtron nhiệt, nó sẽ vỡ thành hai hạt có khối lượng không đồng đều và giải phóng trung bình 2,5 nơtron.
Sự hấp thụ của nơtron 238 U gây ra dao động trong hạt nhân, làm biến dạng hạt nhân cho đến khi vỡ thành từng mảnh, giống như một giọt chất lỏng có thể vỡ thành những giọt nhỏ hơn. Hơn 370 nuclôn con với khối lượng nguyên tử từ 72 đến 161 a.m.u. được hình thành trong quá trình phân hạch bởi một nơtron nhiệt 235U, bao gồm hai sản phẩm,hiển thị bên dưới.
Các đồng vị của phản ứng hạt nhân, chẳng hạn như uranium, trải qua quá trình phân hạch gây ra. Nhưng đồng vị tự nhiên duy nhất 235 U chỉ có ở mức 0,72%. Sự phân hạch gây ra của đồng vị này giải phóng trung bình 200 MeV cho mỗi nguyên tử, hay 80 triệu kilojoules trên gam 235 U. Có thể hiểu lực hút của sự phân hạch hạt nhân như một nguồn năng lượng bằng cách so sánh giá trị này với 50 kJ / g được giải phóng khi tự nhiên. khí đốt được đốt cháy.
Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên
Lò phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên được xây dựng bởi Enrico Fermi và các cộng sự dưới sân vận động bóng đá của Đại học Chicago và đi vào hoạt động vào ngày 2 tháng 12 năm 1942. Lò phản ứng này, sản sinh ra vài kilowatt điện, bao gồm một đống các khối than chì nặng 385 tấn xếp chồng lên nhau thành nhiều lớp xung quanh một mạng tinh thể khối chứa 40 tấn uranium và uranium oxide. Sự phân hạch tự phát của 238 U hoặc 235 U trong lò phản ứng này tạo ra rất ít neutron. Nhưng có đủ uranium, vì vậy một trong những neutron này đã tạo ra sự phân hạch của hạt nhân 235 U, do đó giải phóng trung bình 2,5 neutron, xúc tác cho sự phân hạch của hạt nhân 235 U bổ sung trong một phản ứng dây chuyền (phản ứng hạt nhân).
Lượng vật liệu phân hạch cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền được gọi là khối lượng tới hạn. Các mũi tên màu xanh lá cây cho thấy sự phân tách của hạt nhân uranium thành hai mảnh phân hạch phát ra neutron mới. Một số neutron này có thể kích hoạt phản ứng phân hạch mới (mũi tên đen). Một sốneutron có thể bị mất trong các quá trình khác (mũi tên xanh lam). Các mũi tên màu đỏ cho thấy các neutron bị trì hoãn đến muộn hơn từ các mảnh phân hạch phóng xạ và có thể kích hoạt các phản ứng phân hạch mới.
Chỉ định phản ứng hạt nhân
Hãy xem các tính chất cơ bản của nguyên tử, bao gồm số hiệu nguyên tử và khối lượng nguyên tử. Số hiệu nguyên tử là số proton trong hạt nhân nguyên tử, và các đồng vị có cùng số hiệu nguyên tử nhưng khác nhau về số nơtron. Nếu các hạt nhân ban đầu được ký hiệu là a và b, và các hạt nhân sản phẩm được ký hiệu là c và d, thì phản ứng có thể được biểu diễn bằng phương trình mà bạn có thể xem dưới đây.
Phản ứng hạt nhân nào hủy bỏ các hạt nhẹ thay vì sử dụng các phương trình đầy đủ? Trong nhiều tình huống, dạng thu gọn được sử dụng để mô tả các quá trình như vậy: a (b, c) d tương đương với a + b tạo ra c + d. Các hạt ánh sáng thường được viết tắt: thường p là viết tắt của proton, n là neutron, d là deuteron, α cho alpha hoặc heli-4, β cho beta hoặc electron, γ cho gamma photon, v.v.
Các loại phản ứng hạt nhân
Mặc dù số lượng các phản ứng như vậy có thể xảy ra là rất lớn, nhưng chúng có thể được sắp xếp theo loại. Hầu hết các phản ứng này đều kèm theo bức xạ gamma. Dưới đây là một số ví dụ:
- Tán thun. Xảy ra khi không có năng lượng nào được truyền giữa hạt nhân mục tiêu và hạt tới.
- Tán xạ không đàn hồi. Xảy ra khi năng lượng được truyền đi. Sự khác biệt về động năng được bảo toàn trong nuclêôtit kích thích.
- Chụp phản ứng. cả tính phí vàhạt trung hòa có thể bị hạt nhân bắt giữ. Điều này đi kèm với sự phát ra tia ɣ. Các hạt của phản ứng hạt nhân trong phản ứng bắt nơtron được gọi là nuclit phóng xạ (hiện tượng phóng xạ cảm ứng).
- Các phản ứng truyền dẫn. Sự hấp thụ của một hạt, kèm theo sự phát xạ của một hoặc nhiều hạt, được gọi là phản ứng truyền.
- Phản ứng phân hạch. Phân hạch hạt nhân là phản ứng trong đó hạt nhân của nguyên tử bị tách thành nhiều mảnh nhỏ hơn (hạt nhân nhẹ hơn). Quá trình phân hạch thường tạo ra neutron và photon tự do (dưới dạng tia gamma) và giải phóng một lượng lớn năng lượng.
- Phản ứng nhiệt hạch. Xảy ra khi hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử va chạm với nhau với tốc độ rất cao và kết hợp với nhau để tạo thành một loại hạt nhân nguyên tử mới. Các hạt hạt nhân tổng hợp đơteri-triti được quan tâm đặc biệt vì có tiềm năng cung cấp năng lượng trong tương lai.
- Phản ứng phân tách. Xảy ra khi hạt nhân bị một hạt có đủ năng lượng và động lượng va chạm để làm văng ra một vài mảnh nhỏ hoặc vỡ thành nhiều mảnh.
- Phản ứng sắp xếp lại. Đây là sự hấp thụ của một hạt, kèm theo sự phát xạ của một hoặc nhiều hạt:
- 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
Các phản ứng sắp xếp lại khác nhau làm thay đổi số nơtron và số proton.
Phân rã hạt nhân
Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một nguyên tử không bền bị mất năng lượng quasự bức xạ. Đó là một quá trình ngẫu nhiên ở cấp độ của các nguyên tử đơn lẻ, vì theo lý thuyết lượng tử, không thể dự đoán khi nào một nguyên tử riêng lẻ sẽ phân rã.
Có nhiều loại phân rã phóng xạ:
- Hoạt độ phóng xạ alpha. Các hạt alpha được tạo thành từ hai proton và hai neutron liên kết với nhau bằng một hạt giống với hạt nhân heli. Do khối lượng rất lớn và điện tích của nó, nó ion hóa mạnh vật chất và có phạm vi rất ngắn.
- Hoạt độ phóng xạ beta. Nó là các positron năng lượng cao, tốc độ cao, hoặc các electron, được phát ra từ một số loại hạt nhân phóng xạ, chẳng hạn như kali-40. Các hạt beta có phạm vi xuyên thấu lớn hơn các hạt alpha, nhưng vẫn kém hơn nhiều so với tia gamma. Hạt beta phóng ra là một dạng bức xạ ion hóa, còn được gọi là tia beta phản ứng hạt nhân. Quá trình tạo ra các hạt beta được gọi là phân rã beta.
- Phóng xạ gamma. Tia gamma là bức xạ điện từ có tần số rất cao và do đó là các photon năng lượng cao. Chúng được hình thành khi hạt nhân phân rã khi chúng đi từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái thấp hơn được gọi là phân rã gamma. Hầu hết các phản ứng hạt nhân đều kèm theo bức xạ gamma.
- Phát xạ neutron. Phát xạ neutron là một loại phân rã phóng xạ của hạt nhân có chứa dư neutron (đặc biệt là các sản phẩm phân hạch), trong đó neutron chỉ đơn giản là phóng ra khỏi hạt nhân. Loại nàybức xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các lò phản ứng hạt nhân vì các neutron này bị trễ.
Năng lượng
Giá trị Q của năng lượng phản ứng hạt nhân là lượng năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ trong quá trình phản ứng. Nó được gọi là cân bằng năng lượng, hoặc giá trị Q của phản ứng. Năng lượng này được biểu thị bằng hiệu số giữa động năng của sản phẩm và lượng của chất phản ứng.
Quan điểm chung của phản ứng: x + X ⟶ Y + y + Q …… (i) x + X ⟶ Y + y + Q …… (i), trong đó x và X là các chất phản ứng, và y và Y là sản phẩm phản ứng, có thể xác định năng lượng của phản ứng hạt nhân, Q là cân bằng năng lượng.
Q-value NR đề cập đến năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ trong một phản ứng. Nó còn được gọi là cân bằng năng lượng NR, có thể tích cực hoặc tiêu cực tùy thuộc vào bản chất.
Nếu giá trị Q dương, phản ứng sẽ tỏa nhiệt, còn được gọi là dị ứng. Cô ấy giải phóng năng lượng. Nếu giá trị Q là âm, phản ứng là dị ứng hoặc tỏa nhiệt. Những phản ứng như vậy được thực hiện bằng cách hấp thụ năng lượng.
Trong vật lý hạt nhân, các phản ứng như vậy được xác định bằng giá trị Q, là hiệu số giữa tổng khối lượng của các chất phản ứng ban đầu và các sản phẩm cuối cùng. Nó được đo bằng đơn vị năng lượng MeV. Hãy xem xét một phản ứng điển hình trong đó đạn a và mục tiêu A tạo ra hai sản phẩm B và b.
Điều này có thể được biểu thị như sau: a + A → B + B, hoặc thậm chí trong một ký hiệu ngắn gọn hơn - A (a, b) B. Các loại năng lượng trong phản ứng hạt nhân và ý nghĩa của phản ứng nàyđược xác định bởi công thức:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, trùng với động năng dư thừa của các sản phẩm cuối cùng:
Q=T cuối cùng - T viết tắt
Đối với các phản ứng trong đó động năng của các sản phẩm tăng lên thì Q là dương. Phản ứng Q tích cực được gọi là tỏa nhiệt (hoặc ngoại sinh).
Có một sự giải phóng năng lượng thực, vì động năng của trạng thái cuối lớn hơn ở trạng thái ban đầu. Đối với các phản ứng trong đó động năng của các sản phẩm giảm, Q là âm.
Nửa đời
Chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ là một hằng số đặc trưng. Nó đo thời gian cần thiết để một lượng vật chất nhất định giảm đi một nửa trong quá trình phân rã và do đó là bức xạ.
Các nhà khảo cổ và địa chất sử dụng chu kỳ bán rã cho đến nay trên các vật thể hữu cơ trong một quá trình được gọi là xác định niên đại bằng carbon. Trong quá trình phân rã beta, cacbon 14 được chuyển thành nitơ 14. Tại thời điểm chết, sinh vật ngừng sản xuất cacbon 14. Vì chu kỳ bán rã không đổi, tỷ lệ cacbon 14 trên nitơ 14 cung cấp một thước đo tuổi của mẫu.
Trong lĩnh vực y tế, nguồn năng lượng của phản ứng hạt nhân là đồng vị phóng xạ của Cob alt 60, được sử dụng để xạ trị nhằm thu nhỏ các khối u mà sau này sẽ được phẫu thuật cắt bỏ hoặc tiêu diệt các tế bào ung thư không thể hoạt động.các khối u. Khi nó phân rã thành niken ổn định, nó phát ra hai năng lượng tương đối cao - tia gamma. Ngày nay nó đang được thay thế bằng hệ thống xạ trị bằng chùm tia điện tử.
Chu kỳ bán rã đồng vị từ một số mẫu:
- oxy 16 - vô hạn;
- uranium 238 - 4.460.000.000 năm;
- uranium 235 - 713.000.000 năm;
- carbon 14 - 5.730 năm;
- coban 60 - 5, 27 tuổi;
- bạc 94 - 0,42 giây.
Hẹn hò với cacbon phóng xạ
Với tốc độ rất ổn định, carbon 14 không ổn định dần dần phân hủy thành carbon 12. Tỷ lệ của các đồng vị carbon này cho thấy tuổi của một số cư dân lâu đời nhất trên Trái đất.
Xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ là một phương pháp cung cấp các ước tính khách quan về tuổi của các vật liệu dựa trên cacbon. Tuổi có thể được ước tính bằng cách đo lượng cacbon 14 có trong mẫu và so sánh với mẫu tham chiếu tiêu chuẩn quốc tế.
Tác động của niên đại cacbon phóng xạ đối với thế giới hiện đại đã khiến nó trở thành một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỷ 20. Thực vật và động vật đồng hóa carbon 14 từ carbon dioxide trong suốt cuộc đời của chúng. Khi chúng chết đi, chúng ngừng trao đổi cacbon với sinh quyển và hàm lượng cacbon 14 của chúng bắt đầu giảm với tốc độ được xác định theo quy luật phân rã phóng xạ.
Xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ về bản chất là một phương pháp đo độ phóng xạ còn lại. Biết bao nhiêu cacbon 14 còn lại trong mẫu, bạn có thể tìm hiểutuổi của sinh vật khi nó chết. Cần lưu ý rằng kết quả xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ cho thấy sinh vật còn sống.
Các phương pháp cơ bản để đo cacbon phóng xạ
Có ba phương pháp chính được sử dụng để đo carbon 14 trong bất kỳ phép tính tỷ lệ nào của bộ lấy mẫu nhất định, máy đếm ánh sáng lỏng và khối phổ máy gia tốc.
Đếm khí theo tỷ lệ là một kỹ thuật xác định niên đại bằng đo phóng xạ phổ biến có tính đến các hạt beta được phát ra bởi một mẫu nhất định. Hạt beta là sản phẩm phân rã của cacbon phóng xạ. Trong phương pháp này, mẫu carbon đầu tiên được chuyển đổi thành khí carbon dioxide trước khi được đo bằng máy đo tỷ lệ khí.
Đếm chất lỏng theo phương pháp khoa học là một phương pháp xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ khác phổ biến vào những năm 1960. Trong phương pháp này, mẫu ở dạng lỏng và một ống soi được thêm vào. Scintillator này tạo ra một tia sáng khi nó tương tác với một hạt beta. Ống mẫu được đưa qua giữa hai bộ nhân quang và khi cả hai thiết bị ghi nhận một tia sáng, một số đếm sẽ được thực hiện.
Lợi ích của Khoa học Hạt nhân
Các định luật về phản ứng hạt nhân được sử dụng trong một loạt các ngành khoa học và công nghệ, chẳng hạn như y học, năng lượng, địa chất, vũ trụ và bảo vệ môi trường. Y học hạt nhân và X quang là các hoạt động y tế liên quan đến việc sử dụng bức xạ hoặc phóng xạ để chẩn đoán, điều trị và phòng ngừa.bệnh tật. Trong khi xạ trị đã được sử dụng trong gần một thế kỷ, thuật ngữ "y học hạt nhân" bắt đầu được sử dụng cách đây khoảng 50 năm.
Năng lượng hạt nhân đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ và là một trong những lựa chọn năng lượng phát triển nhanh nhất cho các quốc gia đang tìm kiếm các giải pháp an ninh năng lượng và tiết kiệm năng lượng phát thải thấp.
Các nhà khảo cổ học sử dụng một loạt các phương pháp hạt nhân để xác định tuổi của các vật thể. Các đồ tạo tác như Tấm vải liệm Turin, Cuộn giấy Biển Chết và Vương miện Charlemagne có thể được xác định niên đại và xác thực bằng kỹ thuật hạt nhân.
Kỹ thuật hạt nhân được sử dụng trong các cộng đồng nông nghiệp để chống lại bệnh tật. Nguồn phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp khai thác mỏ. Ví dụ: chúng được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy các tắc nghẽn trong đường ống và mối hàn, trong việc đo mật độ của vật liệu đục lỗ.
Khoa học hạt nhân đóng một vai trò quý giá trong việc giúp chúng ta hiểu lịch sử của môi trường.
