Reazione nucleare (NR) - un processo in cui il nucleo di un atomo cambia schiacciandosi o combinandosi con il nucleo di un altro atomo. Pertanto, deve portare alla trasformazione di almeno un nuclide in un altro. A volte, se un nucleo interagisce con un altro nucleo o particella senza modificare la natura di alcun nuclide, il processo viene definito dispersione nucleare. Forse le più notevoli sono le reazioni di fusione degli elementi luminosi, che influenzano la produzione di energia delle stelle e del sole. Le reazioni naturali si verificano anche nell'interazione dei raggi cosmici con la materia.
Reattore nucleare naturale
La reazione umana più notevole è la reazione di fissione che si verifica nei reattori nucleari. Questi sono dispositivi per avviare e controllare una reazione nucleare a catena. Ma non ci sono solo reattori artificiali. Il primo reattore nucleare naturale al mondo è stato scoperto nel 1972 a Oklo in Gabon dal fisico francese Francis Perrin.
Le condizioni in cui l'energia naturale di una reazione nucleare potrebbe essere generata furono previste nel 1956 da Paul Kazuo Kuroda. L'unico posto conosciuto inworld è costituito da 16 siti in cui si sono verificate reazioni autosufficienti di questo tipo. Si ritiene che ciò sia avvenuto circa 1,7 miliardi di anni fa e sia continuato per diverse centinaia di migliaia di anni, come dimostrano gli isotopi dello xeno (un prodotto di fissione gassoso) e rapporti variabili di U-235/U-238 (arricchimento naturale dell'uranio).
Fissione nucleare
Il diagramma dell'energia di legame suggerisce che i nuclidi con una massa maggiore di 130 a.m.u. dovrebbero separarsi spontaneamente l'uno dall' altro per formare nuclidi più leggeri e più stabili. Sperimentalmente, gli scienziati hanno scoperto che le reazioni di fissione spontanea degli elementi di una reazione nucleare si verificano solo per i nuclidi più pesanti con un numero di massa di 230 o più. Anche se questo è fatto, è molto lento. L'emivita per la fissione spontanea di 238 U, ad esempio, è di 10-16 anni, ovvero circa due milioni di volte più lunga dell'età del nostro pianeta! Le reazioni di fissione possono essere indotte irradiando campioni di nuclidi pesanti con neutroni termici lenti. Ad esempio, quando 235 U assorbe un neutrone termico, si rompe in due particelle di massa irregolare e rilascia una media di 2,5 neutroni.
L'assorbimento del neutrone 238 U induce vibrazioni nel nucleo, che lo deformano fino a romperlo in frammenti, proprio come una goccia di liquido può frantumarsi in goccioline più piccole. Più di 370 nuclidi figli con massa atomica compresa tra 72 e 161 a.m.u. sono formati durante la fissione da un neutrone termico 235U, inclusi due prodotti,mostrato sotto.
Gli isotopi di una reazione nucleare, come l'uranio, subiscono una fissione indotta. Ma l'unico isotopo naturale 235 U è presente in abbondanza solo allo 0,72%. La fissione indotta di questo isotopo rilascia una media di 200 MeV per atomo, o 80 milioni di kilojoule per grammo di 235 U. L'attrazione della fissione nucleare come fonte di energia può essere compresa confrontando questo valore con i 50 kJ/g rilasciati in modo naturale il gas è bruciato.
Primo reattore nucleare
Il primo reattore nucleare artificiale fu costruito da Enrico Fermi e collaboratori sotto lo stadio di football dell'Università di Chicago e messo in funzione il 2 dicembre 1942. Questo reattore, che produceva diversi kilowatt di potenza, consisteva in una pila di 385 tonnellate di blocchi di grafite impilati a strati attorno a un reticolo cubico di 40 tonnellate di uranio e ossido di uranio. La fissione spontanea di 238 U o 235 U in questo reattore ha prodotto pochissimi neutroni. Ma c'era abbastanza uranio, quindi uno di questi neutroni ha indotto la fissione del nucleo di 235 U, rilasciando così una media di 2,5 neutroni, che ha catalizzato la fissione di ulteriori nuclei di 235 U in una reazione a catena (reazioni nucleari).
La quantità di materiale fissile richiesta per sostenere una reazione a catena è chiamata massa critica. Le frecce verdi mostrano la scissione del nucleo di uranio in due frammenti di fissione che emettono nuovi neutroni. Alcuni di questi neutroni possono innescare nuove reazioni di fissione (frecce nere). Un po 'dii neutroni possono essere persi in altri processi (frecce blu). Le frecce rosse mostrano neutroni ritardati che arrivano in seguito da frammenti di fissione radioattivi e possono innescare nuove reazioni di fissione.
Designazione delle reazioni nucleari
Diamo un'occhiata alle proprietà di base degli atomi, inclusi il numero atomico e la massa atomica. Il numero atomico è il numero di protoni nel nucleo di un atomo e gli isotopi hanno lo stesso numero atomico ma differiscono per il numero di neutroni. Se i nuclei iniziali sono indicati con aeb e i nuclei prodotti sono indicati con c e d, allora la reazione può essere rappresentata dall'equazione che puoi vedere di seguito.
Quali reazioni nucleari annullano per le particelle di luce invece di utilizzare equazioni complete? In molte situazioni, la forma compatta è usata per descrivere tali processi: a (b, c) d equivale a a + b che produce c + d. Le particelle di luce sono spesso abbreviate: di solito p sta per protone, n per neutrone, d per deuterone, α per alfa o elio-4, β per beta o elettrone, γ per fotone gamma, ecc.
Tipi di reazioni nucleari
Sebbene il numero di possibili reazioni di questo tipo sia enorme, possono essere ordinate per tipo. La maggior parte di queste reazioni sono accompagnate da radiazioni gamma. Ecco alcuni esempi:
- Dispersione elastica. Si verifica quando non viene trasferita energia tra il nucleo bersaglio e la particella in arrivo.
- Dispersione anelastica. Si verifica quando l'energia viene trasferita. La differenza di energie cinetiche si conserva nel nuclide eccitato.
- Cattura le reazioni. entrambi addebitati ele particelle neutre possono essere catturate dai nuclei. Questo è accompagnato dall'emissione di raggi ɣ. Le particelle delle reazioni nucleari nella reazione di cattura dei neutroni sono chiamate nuclidi radioattivi (radioattività indotta).
- Reazioni di trasmissione. L'assorbimento di una particella, accompagnato dall'emissione di una o più particelle, è chiamato reazione di trasferimento.
- Reazioni di fissione. La fissione nucleare è una reazione in cui il nucleo di un atomo viene diviso in pezzi più piccoli (nuclei più leggeri). Il processo di fissione produce spesso neutroni e fotoni liberi (sotto forma di raggi gamma) e rilascia grandi quantità di energia.
- Reazioni di fusione. Si verificano quando due o più nuclei atomici si scontrano a velocità molto elevata e si combinano per formare un nuovo tipo di nucleo atomico. Le particelle nucleari di fusione deuterio-trizio sono di particolare interesse per il loro potenziale di fornire energia in futuro.
- Reazioni di divisione. Si verifica quando un nucleo viene colpito da una particella con energia e quantità di moto sufficienti per eliminare alcuni piccoli frammenti o romperlo in molti frammenti.
- Reazioni di riarrangiamento. Questo è l'assorbimento di una particella, accompagnato dall'emissione di una o più particelle:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Lui (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Diverse reazioni di riarrangiamento cambiano il numero di neutroni e il numero di protoni.
Decadimento nucleare
Le reazioni nucleari si verificano quando un atomo instabile perde energiaradiazione. È un processo casuale a livello di singoli atomi, poiché secondo la teoria quantistica è impossibile prevedere quando un singolo atomo decadrà.
Ci sono molti tipi di decadimento radioattivo:
- Radioattività alfa. Le particelle alfa sono costituite da due protoni e due neutroni legati insieme da una particella identica a un nucleo di elio. A causa della sua massa molto grande e della sua carica, ionizza fortemente il materiale e ha una portata molto breve.
- Radioattività beta. Sono positroni o elettroni ad alta energia e velocità emessi da alcuni tipi di nuclei radioattivi, come il potassio-40. Le particelle beta hanno un raggio di penetrazione maggiore rispetto alle particelle alfa, ma comunque molto inferiore ai raggi gamma. Le particelle beta espulse sono una forma di radiazione ionizzante, nota anche come raggi beta di reazione a catena nucleare. La produzione di particelle beta è chiamata decadimento beta.
- Radioattività gamma. I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad altissima frequenza e sono quindi fotoni ad alta energia. Si formano quando i nuclei decadono mentre passano da uno stato di alta energia a uno stato inferiore noto come decadimento gamma. La maggior parte delle reazioni nucleari sono accompagnate da radiazioni gamma.
- Emissione di neutroni. L'emissione di neutroni è un tipo di decadimento radioattivo di nuclei contenenti neutroni in eccesso (soprattutto prodotti di fissione), in cui il neutrone viene semplicemente espulso dal nucleo. Questo tipole radiazioni svolgono un ruolo chiave nel controllo dei reattori nucleari perché questi neutroni sono ritardati.
Energia
Il valore Q dell'energia di una reazione nucleare è la quantità di energia rilasciata o assorbita durante la reazione. È chiamato bilancio energetico o valore Q della reazione. Questa energia è espressa come differenza tra l'energia cinetica del prodotto e la quantità del reagente.
Vista generale della reazione: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), dove x e X sono reagenti, e y e Y sono il prodotto di reazione, che può determinare l'energia di una reazione nucleare, Q è il bilancio energetico.
Il valore Q NR si riferisce all'energia rilasciata o assorbita in una reazione. Viene anche chiamato bilancio energetico NR, che può essere positivo o negativo a seconda della natura.
Se il valore Q è positivo, la reazione sarà esotermica, detta anche esoergica. Lei sprigiona energia. Se il valore Q è negativo, la reazione è endoergica o endotermica. Tali reazioni vengono effettuate assorbendo energia.
Nella fisica nucleare, tali reazioni sono definite dal valore Q, come la differenza tra la somma delle masse dei reagenti iniziali e dei prodotti finali. Si misura in unità di energia MeV. Si consideri una tipica reazione in cui il proiettile a e il bersaglio A cedono a due prodotti B e b.
Questo può essere espresso in questo modo: a + A → B + B, o anche in una notazione più compatta - A (a, b) B. Tipi di energie in una reazione nucleare e significato di questa reazionedeterminato dalla formula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, che coincide con l'eccesso di energia cinetica dei prodotti finali:
Q=T finale - T iniziale
Per le reazioni in cui c'è un aumento dell'energia cinetica dei prodotti, Q è positivo. Le reazioni Q positive sono dette esotermiche (o esogene).
C'è un rilascio netto di energia, poiché l'energia cinetica dello stato finale è maggiore di quella dello stato iniziale. Per le reazioni in cui si osserva una diminuzione dell'energia cinetica dei prodotti, Q è negativo.
Emivita
L'emivita di una sostanza radioattiva è una costante caratteristica. Misura il tempo necessario affinché una data quantità di materia si riduca della metà attraverso il decadimento e quindi la radiazione.
Archeologi e geologi utilizzano l'emivita fino ad oggi su oggetti organici in un processo noto come datazione al carbonio. Durante il decadimento beta, il carbonio 14 viene convertito in azoto 14. Al momento della morte, gli organismi smettono di produrre carbonio 14. Poiché l'emivita è costante, il rapporto tra carbonio 14 e azoto 14 fornisce una misura dell'età del campione.
In campo medico, le fonti di energia delle reazioni nucleari sono gli isotopi radioattivi del cob alto 60, che è stato utilizzato per la radioterapia per ridurre i tumori che verranno successivamente rimossi chirurgicamente, o per uccidere le cellule tumorali inoperabilitumori. Quando decade in nichel stabile, emette due energie relativamente elevate: i raggi gamma. Oggi viene sostituito da sistemi di radioterapia a fascio di elettroni.
Emivita degli isotopi da alcuni campioni:
- ossigeno 16 - infinito;
- uranio 238 - 4.460.000.000 di anni;
- uranio 235 - 713.000.000 di anni;
- carbonio 14 - 5.730 anni;
- cob alto 60 - 5, 27 anni;
- argento 94 - 0,42 secondi.
Incontri al radiocarbonio
A un ritmo molto costante, il carbonio instabile 14 decade gradualmente in carbonio 12. Il rapporto di questi isotopi di carbonio rivela l'età di alcuni degli abitanti più antichi della Terra.
La datazione al radiocarbonio è un metodo che fornisce stime oggettive dell'età dei materiali a base di carbonio. L'età può essere stimata misurando la quantità di carbonio 14 presente in un campione e confrontandola con uno standard internazionale di riferimento.
L'impatto della datazione al radiocarbonio sul mondo moderno l'ha resa una delle scoperte più significative del 20° secolo. Piante e animali assimilano il carbonio 14 dall'anidride carbonica per tutta la vita. Quando muoiono, smettono di scambiare carbonio con la biosfera e il loro contenuto di carbonio 14 inizia a diminuire a una velocità determinata dalla legge del decadimento radioattivo.
La datazione al radiocarbonio è essenzialmente un metodo per misurare la radioattività residua. Sapendo quanto carbonio 14 è rimasto nel campione, puoi scoprirlol'età dell'organismo quando è morto. Va notato che i risultati della datazione al radiocarbonio mostrano quando l'organismo era vivo.
Metodi di base per misurare il radiocarbonio
Ci sono tre metodi principali utilizzati per misurare il carbonio 14 in un dato calcolo proporzionale del campionatore, contatore a scintillazione liquida e spettrometria di massa dell'acceleratore.
Il conteggio proporzionale dei gas è una tecnica di datazione radiometrica comune che tiene conto delle particelle beta emesse da un dato campione. Le particelle beta sono prodotti di decadimento del radiocarbonio. In questo metodo, il campione di carbonio viene prima convertito in anidride carbonica prima di essere misurato con misuratori proporzionali di gas.
Il conteggio del fluido a scintillazione è un altro metodo di datazione al radiocarbonio che era popolare negli anni '60. In questo metodo, il campione è in forma liquida e viene aggiunto uno scintillatore. Questo scintillatore crea un lampo di luce quando interagisce con una particella beta. La provetta del campione viene fatta passare tra due fotomoltiplicatori e quando entrambi i dispositivi registrano un lampo di luce, viene effettuato un conteggio.
I benefici della scienza nucleare
Le leggi delle reazioni nucleari sono utilizzate in un'ampia gamma di rami della scienza e della tecnologia, come la medicina, l'energia, la geologia, lo spazio e la protezione ambientale. La medicina nucleare e la radiologia sono pratiche mediche che implicano l'uso di radiazioni o radioattività per la diagnosi, il trattamento e la prevenzione.malattie. Sebbene la radiologia sia in uso da quasi un secolo, il termine "medicina nucleare" iniziò ad essere utilizzato circa 50 anni fa.
L'energia nucleare è in uso da decenni ed è una delle opzioni energetiche in più rapida crescita per i paesi che cercano soluzioni di sicurezza energetica e di risparmio energetico a basse emissioni.
Gli archeologi utilizzano un'ampia gamma di metodi nucleari per determinare l'età degli oggetti. Reperti come la Sindone di Torino, i Rotoli del Mar Morto e la Corona di Carlo Magno possono essere datati e autenticati utilizzando tecniche nucleari.
Le tecniche nucleari vengono utilizzate nelle comunità agricole per combattere le malattie. Le sorgenti radioattive sono ampiamente utilizzate nell'industria mineraria. Ad esempio, vengono utilizzati nelle prove non distruttive di ostruzioni nelle tubazioni e nelle saldature, per misurare la densità del materiale punzonato.
La scienza nucleare svolge un ruolo prezioso nell'aiutarci a comprendere la storia del nostro ambiente.
