Kernreaktion (NR) - ein Prozess, bei dem sich der Kern eines Atoms durch Zerkleinern oder Kombinieren mit dem Kern eines anderen Atoms verändert. Es muss also zur Umwandlung mindestens eines Nuklids in ein anderes führen. Wenn ein Kern mit einem anderen Kern oder Teilchen interagiert, ohne die Natur eines Nuklids zu verändern, wird dieser Vorgang manchmal als Kernstreuung bezeichnet. Am bemerkenswertesten sind vielleicht die Fusionsreaktionen leichter Elemente, die die Energieproduktion von Sternen und der Sonne beeinflussen. Natürliche Reaktionen treten auch bei der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit Materie auf.
Natürlicher Kernreaktor
Die bemerkenswerteste vom Menschen kontrollierte Reaktion ist die Kernsp altungsreaktion, die in Kernreaktoren auftritt. Dies sind Geräte zum Auslösen und Steuern einer nuklearen Kettenreaktion. Aber es gibt nicht nur künstliche Reaktoren. Der weltweit erste natürliche Kernreaktor wurde 1972 in Oklo in Gabun vom französischen Physiker Francis Perrin entdeckt.
Die Bedingungen, unter denen die natürliche Energie einer Kernreaktion erzeugt werden könnte, wurden 1956 von Paul Kazuo Kuroda vorhergesagt. Der einzige bekannte Ort inworld besteht aus 16 Standorten, an denen sich selbsterh altende Reaktionen dieser Art ereignet haben. Es wird angenommen, dass dies vor etwa 1,7 Milliarden Jahren geschah und mehrere hunderttausend Jahre andauerte, wie Xenon-Isotope (ein Sp altproduktgas) und unterschiedliche Verhältnisse von U-235/U-238 (natürliche Urananreicherung) belegen.
Kernsp altung
Das Diagramm der Bindungsenergie deutet darauf hin, dass Nuklide mit einer Masse von mehr als 130 a.m.u. sollten sich spontan voneinander trennen, um leichtere und stabilere Nuklide zu bilden. Experimentell haben Wissenschaftler herausgefunden, dass spontane Sp altungsreaktionen der Elemente einer Kernreaktion nur für die schwersten Nuklide mit einer Massenzahl von 230 oder mehr auftreten. Selbst wenn dies getan wird, ist es sehr langsam. Die Halbwertszeit für die spontane Sp altung von 238 U zum Beispiel beträgt 10-16 Jahre oder etwa zwei Millionen Mal länger als das Alter unseres Planeten! Sp altreaktionen können durch Bestrahlung von Proben schwerer Nuklide mit langsamen thermischen Neutronen induziert werden. Wenn beispielsweise 235 U ein thermisches Neutron absorbiert, zerfällt es in zwei Teilchen mit ungleicher Masse und setzt durchschnittlich 2,5 Neutronen frei.
Die Absorption des 238-U-Neutrons induziert Schwingungen im Kern, die ihn verformen, bis er in Fragmente zerbricht, so wie ein Flüssigkeitstropfen in kleinere Tröpfchen zerspringen kann. Mehr als 370 Tochternuklide mit Atommassen zwischen 72 und 161 a.m.u. werden während der Sp altung durch ein thermisches Neutron 235U gebildet, einschließlich zweier Produkte,unten gezeigt.
Isotope einer Kernreaktion, wie Uran, unterliegen einer induzierten Sp altung. Aber das einzige natürliche Isotop 235 U ist mit nur 0,72 % reichlich vorhanden. Die induzierte Sp altung dieses Isotops setzt durchschnittlich 200 MeV pro Atom oder 80 Millionen Kilojoule pro Gramm 235 U frei. Die Anziehungskraft der Kernsp altung als Energiequelle lässt sich verstehen, wenn man diesen Wert mit den 50 kJ/g vergleicht, die natürlicherweise freigesetzt werden Gas wird verbrannt.
Erster Kernreaktor
Der erste künstliche Kernreaktor wurde von Enrico Fermi und Mitarbeitern unter dem Fußballstadion der University of Chicago gebaut und am 2. Dezember 1942 in Betrieb genommen. Dieser Reaktor, der mehrere Kilowatt Leistung produzierte, bestand aus einem Haufen von 385 Tonnen Graphitblöcken, die in Schichten um ein kubisches Gitter aus 40 Tonnen Uran und Uranoxid gestapelt waren. Die spontane Sp altung von 238 U oder 235 U in diesem Reaktor erzeugte sehr wenige Neutronen. Da aber genügend Uran vorhanden war, löste eines dieser Neutronen die Sp altung des 235-U-Kerns aus und setzte dabei durchschnittlich 2,5 Neutronen frei, die in einer Kettenreaktion (Kernreaktion) die Sp altung weiterer 235-U-Kerne katalysierten.
Die Menge an sp altbarem Material, die erforderlich ist, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerh alten, wird als kritische Masse bezeichnet. Die grünen Pfeile zeigen die Aufsp altung des Urankerns in zwei Sp altfragmente, die neue Neutronen emittieren. Einige dieser Neutronen können neue Sp altreaktionen auslösen (schwarze Pfeile). EinigeNeutronen können bei anderen Prozessen verloren gehen (blaue Pfeile). Rote Pfeile zeigen verzögerte Neutronen, die später von radioaktiven Sp altfragmenten eintreffen und neue Sp altreaktionen auslösen können.
Bezeichnung von Kernreaktionen
Schauen wir uns die grundlegenden Eigenschaften von Atomen an, einschließlich Ordnungszahl und Atommasse. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms, und Isotope haben die gleiche Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in der Anzahl der Neutronen. Wenn die anfänglichen Kerne mit a und b bezeichnet werden und die Produktkerne mit c und d bezeichnet werden, dann kann die Reaktion durch die folgende Gleichung dargestellt werden.
Welche Kernreaktionen heben sich für leichte Teilchen auf, anstatt vollständige Gleichungen zu verwenden? In vielen Situationen wird die kompakte Form verwendet, um solche Prozesse zu beschreiben: a (b, c) d ist äquivalent zu a + b, was c + d erzeugt. Lichtteilchen werden oft abgekürzt: meist steht p für Proton, n für Neutron, d für Deuteron, α für Alpha oder Helium-4, β für Beta oder Elektron, γ für Gamma-Photon usw.
Arten von Kernreaktionen
Obwohl die Anzahl möglicher solcher Reaktionen riesig ist, können sie nach Typ sortiert werden. Die meisten dieser Reaktionen werden von Gammastrahlung begleitet. Hier sind einige Beispiele:
- Elastische Streuung. Tritt auf, wenn keine Energie zwischen dem Zielkern und dem ankommenden Teilchen übertragen wird.
- Unelastische Streuung. Tritt auf, wenn Energie übertragen wird. Die Differenz der kinetischen Energien bleibt im angeregten Nuklid erh alten.
- Erkenne Reaktionen. sowohl geladen als auchneutrale Teilchen können von Kernen eingefangen werden. Dies wird von der Emission von ɣ-Strahlen begleitet. Die Teilchen von Kernreaktionen in der Neutroneneinfangreaktion werden als radioaktive Nuklide (induzierte Radioaktivität) bezeichnet.
- Übertragungsreaktionen. Die Aufnahme eines Teilchens, begleitet von der Emission eines oder mehrerer Teilchen, nennt man Transferreaktion.
- Sp altungsreaktionen. Die Kernsp altung ist eine Reaktion, bei der der Kern eines Atoms in kleinere Stücke (leichtere Kerne) gesp alten wird. Der Sp altungsprozess erzeugt oft freie Neutronen und Photonen (in Form von Gammastrahlen) und setzt große Energiemengen frei.
- Fusionsreaktionen. Entstehen, wenn zwei oder mehr Atomkerne mit sehr hoher Geschwindigkeit kollidieren und sich zu einer neuen Art von Atomkern verbinden. Deuterium-Tritium-Fusionskernpartikel sind von besonderem Interesse wegen ihres Potenzials, in Zukunft Energie zu liefern.
- Aufsp altungsreaktionen. Tritt auf, wenn ein Kern von einem Teilchen mit genügend Energie und Impuls getroffen wird, um ein paar kleine Fragmente herauszuschlagen oder ihn in viele Fragmente zu zerbrechen.
- Umlagerungsreaktionen. Dies ist die Absorption eines Teilchens, begleitet von der Emission eines oder mehrerer Teilchen:
- 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
Unterschiedliche Umlagerungsreaktionen verändern die Anzahl der Neutronen und die Anzahl der Protonen.
Kernzerfall
Kernreaktionen treten auf, wenn ein instabiles Atom dadurch Energie verliertStrahlung. Es ist ein Zufallsprozess auf der Ebene einzelner Atome, da es laut Quantentheorie unmöglich ist vorherzusagen, wann ein einzelnes Atom zerfallen wird.
Es gibt viele Arten von radioaktivem Zerfall:
- Alpha-Radioaktivität. Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die mit einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse und seiner Ladung ionisiert es das Material stark und hat eine sehr kurze Reichweite.
- Beta-Radioaktivität. Es handelt sich um hochenergetische, schnelle Positronen oder Elektronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Beta-Partikel haben eine größere Durchdringungsreichweite als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Ausgestoßene Betateilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Betastrahlen der Kernkettenreaktion bekannt ist. Die Produktion von Betateilchen wird als Betazerfall bezeichnet.
- Gamma-Radioaktivität. Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung sehr hoher Frequenz und sind daher hochenergetische Photonen. Sie werden gebildet, wenn Kerne zerfallen, wenn sie von einem hochenergetischen Zustand in einen niedrigeren Zustand übergehen, der als Gamma-Zerfall bekannt ist. Die meisten Kernreaktionen werden von Gammastrahlung begleitet.
- Neutronenemission. Neutronenemission ist eine Art radioaktiver Zerfall von Kernen, die überschüssige Neutronen (insbesondere Sp altprodukte) enth alten, bei denen das Neutron einfach aus dem Kern herausgeschleudert wird. Dieser TypStrahlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung von Kernreaktoren, weil diese Neutronen verzögert sind.
Energie
Q-Wert der Energie einer Kernreaktion ist die Energiemenge, die während der Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird. Sie wird als Energiebilanz oder Q-Wert der Reaktion bezeichnet. Diese Energie wird als Differenz zwischen der kinetischen Energie des Produkts und der Menge des Reaktanten ausgedrückt.
Gesamtansicht der Reaktion: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), wobei x und X Reaktanten sind und y und Y sind Reaktionsprodukte, die die Energie einer Kernreaktion bestimmen können, Q ist die Energiebilanz.
Q-Wert NR bezieht sich auf die Energie, die bei einer Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird. Sie wird auch als NR-Energiebilanz bezeichnet, die je nach Beschaffenheit positiv oder negativ sein kann.
Wenn der Q-Wert positiv ist, ist die Reaktion exotherm, auch exoergisch genannt. Sie setzt Energie frei. Wenn der Q-Wert negativ ist, ist die Reaktion endoergisch oder endotherm. Solche Reaktionen werden durch Energieaufnahme durchgeführt.
In der Kernphysik werden solche Reaktionen durch den Q-Wert definiert, als Differenz zwischen der Summe der Massen der Ausgangsstoffe und der Endprodukte. Sie wird in Energieeinheiten MeV gemessen. Stellen Sie sich eine typische Reaktion vor, bei der Projektil a und Ziel A zu zwei Produkten B und b führen.
Dies kann so ausgedrückt werden: a + A → B + B, oder sogar in einer kompakteren Schreibweise - A (a, b) B. Arten von Energien in einer Kernreaktion und die Bedeutung dieser Reaktionbestimmt durch die Formel:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, die mit der überschüssigen kinetischen Energie der Endprodukte übereinstimmt:
Q=T final - T initial
Bei Reaktionen, bei denen die kinetische Energie der Produkte zunimmt, ist Q positiv. Positive Q-Reaktionen werden als exotherm (oder exogen) bezeichnet.
Es findet eine Nettoenergiefreisetzung statt, da die kinetische Energie im Endzustand größer ist als im Ausgangszustand. Bei Reaktionen, bei denen eine Abnahme der kinetischen Energie der Produkte beobachtet wird, ist Q negativ.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit einer radioaktiven Substanz ist eine charakteristische Konstante. Sie misst die Zeit, die benötigt wird, um eine gegebene Menge an Materie durch Zerfall und damit durch Strahlung zu halbieren.
Archäologen und Geologen verwenden die bisherige Halbwertszeit von organischen Objekten in einem Prozess, der als Kohlenstoffdatierung bekannt ist. Während des Beta-Zerfalls wird Kohlenstoff 14 in Stickstoff 14 umgewandelt. Zum Zeitpunkt des Todes hören Organismen auf, Kohlenstoff 14 zu produzieren. Da die Halbwertszeit konstant ist, liefert das Verhältnis von Kohlenstoff 14 zu Stickstoff 14 ein Maß für das Alter der Probe.
Im medizinischen Bereich sind die Energiequellen von Kernreaktionen radioaktive Isotope von Cob alt 60, das für die Strahlentherapie verwendet wurde, um Tumore zu verkleinern, die später chirurgisch entfernt werden, oder um inoperable Krebszellen abzutötenTumore. Wenn es in stabiles Nickel zerfällt, gibt es zwei relativ hohe Energien ab - Gammastrahlen. Heute wird es durch Elektronenstrahl-Bestrahlungssysteme ersetzt.
Isotopenhalbwertszeit einiger Proben:
- Sauerstoff 16 - unendlich;
- Uran 238 - 4.460.000.000 Jahre;
- Uran 235 - 713.000.000 Jahre;
- Kohlenstoff 14 - 5.730 Jahre;
- cob alt 60 - 5, 27 Jahre;
- silber 94 - 0,42 Sekunden.
Radiokarbondatierung
Instabiler Kohlenstoff 14 zerfällt mit sehr konstanter Geschwindigkeit allmählich zu Kohlenstoff 12. Das Verhältnis dieser Kohlenstoffisotope zeigt das Alter einiger der ältesten Bewohner der Erde.
Die Radiokohlenstoffdatierung ist eine Methode, die objektive Schätzungen des Alters von Materialien auf Kohlenstoffbasis liefert. Das Alter kann abgeschätzt werden, indem die Menge an Kohlenstoff 14 in einer Probe gemessen und mit einer internationalen Standardreferenz verglichen wird.
Der Einfluss der Radiokohlenstoffdatierung auf die moderne Welt hat sie zu einer der bedeutendsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts gemacht. Pflanzen und Tiere nehmen ihr ganzes Leben lang Kohlenstoff 14 aus Kohlendioxid auf. Wenn sie sterben, hören sie auf, Kohlenstoff mit der Biosphäre auszutauschen, und ihr Kohlenstoff-14-Geh alt beginnt mit einer Geschwindigkeit abzunehmen, die durch das Gesetz des radioaktiven Zerfalls bestimmt wird.
Die Radiokohlenstoffdatierung ist im Wesentlichen eine Methode zur Messung der Restradioaktivität. Wenn Sie wissen, wie viel Kohlenstoff 14 in der Probe verbleibt, können Sie es herausfindendas Alter des Organismus, als er starb. Es sollte beachtet werden, dass die Ergebnisse der Radiokohlenstoffdatierung zeigen, wann der Organismus lebte.
Grundlegende Methoden zur Messung von Radiokarbon
Es gibt drei Hauptmethoden, die verwendet werden, um Kohlenstoff 14 in jeder gegebenen Probenahme-Proportionalberechnung zu messen, Flüssigszintillationszähler und Beschleuniger-Massenspektrometrie.
Die proportionale Gaszählung ist eine gängige radiometrische Datierungstechnik, die die von einer bestimmten Probe emittierten Beta-Partikel berücksichtigt. Beta-Partikel sind Zerfallsprodukte von Radiokohlenstoff. Bei dieser Methode wird die Kohlenstoffprobe zunächst in Kohlendioxidgas umgewandelt, bevor sie in Gasproportionalmessgeräten gemessen wird.
Szintillationsflüssigkeitszählung ist eine weitere Methode der Radiokohlenstoffdatierung, die in den 1960er Jahren beliebt war. Bei diesem Verfahren liegt die Probe in flüssiger Form vor und es wird ein Szintillator hinzugefügt. Dieser Szintillator erzeugt einen Lichtblitz, wenn er mit einem Betateilchen interagiert. Das Probenröhrchen wird zwischen zwei Photomultipliern hindurchgeführt und wenn beide Geräte einen Lichtblitz registrieren, wird gezählt.
Die Vorteile der Nuklearwissenschaft
Die Gesetze der Kernreaktionen werden in einer Vielzahl von Wissenschafts- und Technologiezweigen wie Medizin, Energie, Geologie, Raumfahrt und Umweltschutz verwendet. Nuklearmedizin und Radiologie sind medizinische Praktiken, die den Einsatz von Strahlung oder Radioaktivität zur Diagnose, Behandlung und Prävention beinh alten. Krankheiten. Während die Radiologie seit fast einem Jahrhundert in Gebrauch ist, wurde der Begriff "Nuklearmedizin" vor etwa 50 Jahren verwendet.
Kernenergie wird seit Jahrzehnten genutzt und ist eine der am schnellsten wachsenden Energieoptionen für Länder, die nach Energiesicherheit und emissionsarmen Energiesparlösungen suchen.
Archäologen verwenden eine breite Palette nuklearer Methoden, um das Alter von Objekten zu bestimmen. Artefakte wie das Grabtuch von Turin, die Schriftrollen vom Toten Meer und die Krone Karls des Großen können mit nuklearen Techniken datiert und authentifiziert werden.
Nukleare Techniken werden in landwirtschaftlichen Gemeinschaften zur Bekämpfung von Krankheiten eingesetzt. Radioaktive Quellen werden in großem Umfang in der Bergbauindustrie eingesetzt. Sie werden zum Beispiel bei der zerstörungsfreien Prüfung von Verstopfungen in Rohrleitungen und Schweißnähten, bei der Messung der Dichte von gestanztem Material eingesetzt.
Die Nuklearwissenschaft spielt eine wertvolle Rolle beim Verständnis der Geschichte unserer Umwelt.
