تفاعل نووي (NR) - عملية تتغير فيها نواة الذرة عن طريق التكسير أو الاندماج مع نواة ذرة أخرى. وبالتالي ، يجب أن يؤدي إلى تحول واحد على الأقل من نوكليدات إلى أخرى. في بعض الأحيان ، إذا تفاعلت نواة مع نواة أو جسيم آخر دون تغيير طبيعة أي نواة ، يُشار إلى العملية باسم الانتثار النووي. ولعل أبرزها تفاعلات اندماج العناصر الضوئية التي تؤثر على إنتاج الطاقة للنجوم والشمس. تحدث التفاعلات الطبيعية أيضًا في تفاعل الأشعة الكونية مع المادة.
مفاعل نووي طبيعي
أبرز تفاعل يتحكم فيه الإنسان هو تفاعل الانشطار الذي يحدث في المفاعلات النووية. هذه هي الأجهزة لبدء والتحكم في تفاعل نووي متسلسل. لكن لا توجد مفاعلات اصطناعية فقط. تم اكتشاف أول مفاعل نووي طبيعي في العالم في عام 1972 في أوكلو في الغابون من قبل الفيزيائي الفرنسي فرانسيس بيرين.
الظروف التي يمكن في ظلها توليد الطاقة الطبيعية لتفاعل نووي تنبأ بها بول كازو كورودا عام 1956. المكان الوحيد المعروف فييتكون العالم من 16 موقعًا حدثت فيها ردود فعل ذاتية الاستدامة من هذا النوع. يُعتقد أن هذا كان منذ حوالي 1.7 مليار سنة واستمر لعدة مئات الآلاف من السنين ، كما يتضح من نظائر الزينون (غاز منتج انشطاري) ونسب متفاوتة من U-235 / U-238 (تخصيب اليورانيوم الطبيعي).
الانشطار النووي
تشير مؤامرة الطاقة الملزمة إلى أن النويدات التي تزيد كتلتها عن 130 صباحًا. يجب فصلها تلقائيًا عن بعضها البعض لتكوين نويدات أخف وزنا وأكثر استقرارًا. من الناحية التجريبية ، وجد العلماء أن تفاعلات الانشطار العفوي لعناصر التفاعل النووي تحدث فقط لأثقل النويدات التي يبلغ عددها الكتلي 230 أو أكثر. حتى لو تم ذلك ، فهو بطيء جدًا. عمر النصف للانشطار التلقائي 238 U ، على سبيل المثال ، هو 10-16 سنة ، أو حوالي مليوني مرة أطول من عمر كوكبنا! يمكن أن تحدث تفاعلات الانشطار عن طريق تشعيع عينات من النويدات الثقيلة بالنيوترونات الحرارية البطيئة. على سبيل المثال ، عندما يمتص 235 يو نيوترونًا حراريًا ، فإنه ينقسم إلى جسيمين غير متساويين الكتلة ويطلق متوسط 2.5 نيوترون.
يؤدي امتصاص 238 يو نيوترون إلى حدوث اهتزازات في النواة ، مما يؤدي إلى تشوهها حتى تنقسم إلى أجزاء ، تمامًا كما يمكن أن تتكسر قطرة سائل إلى قطرات أصغر. أكثر من 370 نويدًا بنتًا بكتلة ذرية بين 72 و 161 صباحًا. تتشكل أثناء الانشطار بواسطة 235U نيوترون حراري ، بما في ذلك منتجان ،المبين أدناه.
تخضع نظائر التفاعل النووي ، مثل اليورانيوم ، للانشطار المستحث. لكن النظير الطبيعي الوحيد 235 يو موجود بكثرة عند 0.72٪ فقط. يطلق الانشطار المستحث لهذا النظير ما متوسطه 200 MeV لكل ذرة ، أو 80 مليون كيلوجول لكل جرام من 235 U. احترق الغاز.
أول مفاعل نووي
تم بناء أول مفاعل نووي اصطناعي من قبل إنريكو فيرمي وزملاؤه في ملعب كرة القدم بجامعة شيكاغو وتم تشغيله في 2 ديسمبر 1942. يتكون هذا المفاعل ، الذي أنتج عدة كيلووات من الطاقة ، من كومة من 385 طنًا من كتل الجرافيت مكدسة في طبقات حول شبكة مكعبة مكونة من 40 طنًا من اليورانيوم وأكسيد اليورانيوم. أدى الانشطار العفوي بمقدار 238 وحدة أو 235 وحدة في هذا المفاعل إلى إنتاج عدد قليل جدًا من النيوترونات. ولكن كان هناك ما يكفي من اليورانيوم ، لذلك تسبب أحد هذه النيوترونات في انشطار نواة 235 يو ، وبالتالي أطلق ما متوسطه 2.5 نيوترون ، مما حفز انشطار نوى 235 يو إضافية في تفاعل متسلسل (تفاعلات نووية).
كمية المواد الانشطارية المطلوبة للحفاظ على تفاعل متسلسل تسمى الكتلة الحرجة. تظهر الأسهم الخضراء انقسام نواة اليورانيوم إلى جزأين انشطاريين ينبعثان من نيوترونات جديدة. يمكن لبعض هذه النيوترونات أن تثير تفاعلات انشطارية جديدة (الأسهم السوداء). بعضقد تُفقد النيوترونات في عمليات أخرى (الأسهم الزرقاء). تظهر الأسهم الحمراء نيوترونات متأخرة تصل لاحقًا من شظايا الانشطار الإشعاعي ويمكن أن تؤدي إلى تفاعلات انشطارية جديدة.
تسمية التفاعلات النووية
دعونا نلقي نظرة على الخصائص الأساسية للذرات ، بما في ذلك العدد الذري والكتلة الذرية. العدد الذري هو عدد البروتونات في نواة الذرة ، والنظائر لها نفس العدد الذري لكنها تختلف في عدد النيوترونات. إذا تم الإشارة إلى النوى الأولية a و b ، وتم الإشارة إلى نواة المنتج c و d ، فيمكن تمثيل التفاعل بالمعادلة التي يمكنك رؤيتها أدناه.
ما هي التفاعلات النووية التي تلغي لجسيمات الضوء بدلاً من استخدام المعادلات الكاملة؟ في كثير من الحالات ، يتم استخدام النموذج المضغوط لوصف مثل هذه العمليات: a (b، c) d تكافئ a + b التي تنتج c + d. غالبًا ما يتم اختصار جزيئات الضوء: عادةً تشير p إلى البروتون ، n للنيوترون ، d للديوترون ، α لـ alpha أو helium-4 ، β لـ beta أو الإلكترون ، لـ gamma photon ، إلخ.
أنواع التفاعلات النووية
على الرغم من أن عدد مثل هذه التفاعلات المحتملة ضخم ، إلا أنه يمكن فرزها حسب النوع. معظم هذه التفاعلات مصحوبة بأشعة جاما. فيما يلي بعض الأمثلة:
- تشتت مرن. يحدث عندما لا يتم نقل الطاقة بين النواة المستهدفة والجسيم الوارد.
- تشتت غير مرن. يحدث عند نقل الطاقة. يتم حفظ الفرق في الطاقات الحركية في نوكليد متحمس.
- التقاط ردود الفعل. كلاهما مشحون ويمكن أن تلتقط النوى الجسيمات المحايدة. ويصاحب ذلك انبعاث أشعة جاما. تسمى جزيئات التفاعلات النووية في تفاعل التقاط النيوترونات بالنويدات المشعة (النشاط الإشعاعي المستحث).
- تفاعلات الإرسال. يسمى امتصاص الجسيم ، المصحوب بانبعاث جزيء واحد أو أكثر ، تفاعل نقل.
- تفاعلات الانشطار. الانشطار النووي هو تفاعل يتم فيه تقسيم نواة الذرة إلى أجزاء أصغر (نوى أخف). غالبًا ما تنتج عملية الانشطار نيوترونات وفوتونات حرة (على شكل أشعة جاما) وتطلق كميات كبيرة من الطاقة.
- تفاعلات الانصهار. تحدث عندما تصطدم نواتان ذريتان أو أكثر بسرعة عالية جدًا وتتحدان لتكوين نوع جديد من النواة الذرية. الجسيمات النووية الاندماجية للديوتيريوم والتريتيوم ذات أهمية خاصة بسبب قدرتها على توفير الطاقة في المستقبل.
- ردود الفعل الانقسام. يحدث عندما تصطدم النواة بجسيم ما يكفي من الطاقة والزخم لإخراج بعض الشظايا الصغيرة أو تقسيمها إلى شظايا كثيرة.
- ردود فعل إعادة الترتيب. هذا هو امتصاص الجسيم ، مصحوبًا بانبعاث جزيء واحد أو أكثر:
- 197Au (p، d) 196mAu
- 4 هو (ا ، ع) 7 لي
- 27Al (a، n) 30P
- 54Fe (أ ، د) 58Co
- 54Fe (أ، 2 ن) 56Ni
- 54Fe (32S، 28Si) 58Ni
تفاعلات إعادة الترتيب المختلفة تغير عدد النيوترونات وعدد البروتونات.
الاضمحلال النووي
تحدث التفاعلات النووية عندما تفقد ذرة غير مستقرة طاقتهاإشعاع. إنها عملية عشوائية على مستوى الذرات المفردة ، لأنه وفقًا لنظرية الكم من المستحيل التنبؤ بموعد تحلل ذرة فردية.
هناك أنواع عديدة من الاضمحلال الإشعاعي:
- ألفا النشاط الإشعاعي. تتكون جسيمات ألفا من بروتونين ونيوترونين مرتبطين معًا بجسيم مماثل لنواة الهيليوم. نظرًا لكتلته الكبيرة جدًا وشحنته ، فإنه يؤين المادة بقوة وله نطاق قصير جدًا.
- نشاط إشعاعي بيتا. إنها بوزيترونات أو إلكترونات عالية الطاقة وعالية السرعة تنبعث من أنواع معينة من النوى المشعة ، مثل البوتاسيوم -40. تتمتع جسيمات بيتا بنطاق اختراق أكبر من جسيمات ألفا ، لكنها لا تزال أقل بكثير من أشعة جاما. جسيمات بيتا المقذوفة هي شكل من أشكال الإشعاع المؤين ، المعروف أيضًا باسم أشعة بيتا المتسلسلة النووية. يسمى إنتاج جسيمات بيتا اضمحلال بيتا.
- النشاط الإشعاعي جاما. أشعة جاما هي أشعة كهرومغناطيسية ذات تردد عالٍ جدًا وبالتالي فهي فوتونات عالية الطاقة. تتشكل عندما تتحلل النوى عندما تنتقل من حالة عالية الطاقة إلى حالة أقل تُعرف باسم تحلل جاما. معظم التفاعلات النووية مصحوبة بأشعة جاما.
- انبعاث النيوترونات. انبعاث النيوترونات هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي للنواة التي تحتوي على نيوترونات زائدة (خاصة نواتج الانشطار) ، حيث يتم طرد النيوترون ببساطة من النواة. هذا النوعيلعب الإشعاع دورًا رئيسيًا في التحكم في المفاعلات النووية لأن هذه النيوترونات تتأخر.
الطاقة
Q- قيمة طاقة التفاعل النووي هي كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة أثناء التفاعل. يطلق عليه توازن الطاقة ، أو Q- قيمة التفاعل. يتم التعبير عن هذه الطاقة بالفرق بين الطاقة الحركية للمنتج وكمية المادة المتفاعلة.
منظر عام للتفاعل: x + X ⟶ Y + y + Q …… (i) x + X ⟶ Y + y + Q ……… (i) ، حيث x و X متفاعلتان ، و y و Y عبارة عن منتج تفاعل ، يمكنه تحديد طاقة التفاعل النووي ، Q هو توازن الطاقة.
تشير قيمة Q NR إلى الطاقة المنبعثة أو الممتصة في التفاعل. ويسمى أيضًا توازن الطاقة NR ، والذي يمكن أن يكون موجبًا أو سلبيًا حسب الطبيعة.
إذا كانت قيمة Q موجبة ، سيكون رد الفعل طاردًا للحرارة ، ويسمى أيضًا طاردًا للطاقة. تطلق الطاقة. إذا كانت قيمة Q سلبية ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة أو ماصًا للحرارة. تتم مثل هذه التفاعلات عن طريق امتصاص الطاقة.
في الفيزياء النووية ، يتم تعريف مثل هذه التفاعلات بقيمة Q ، على أنها الفرق بين مجموع كتل المواد المتفاعلة الأولية والنواتج النهائية. يقاس بوحدات الطاقة MeV. ضع في اعتبارك رد فعل نموذجي حيث ينتج عن المقذوف أ والهدف أ منتجين ب و ب.
يمكن التعبير عن هذا على النحو التالي: أ + أ ← ب + ب ، أو حتى بتدوين أكثر إحكاما - أ (أ ، ب) ب. أنواع الطاقات في التفاعل النووي ومعنى هذا التفاعلتحددها الصيغة:
Q=[م أ + م أ - (م ب + م ب)] ج 2 ،
التي تتزامن مع الطاقة الحركية الزائدة للمنتجات النهائية:
Q=T النهائي - T الأولي
للتفاعلات التي يوجد فيها زيادة في الطاقة الحركية للمنتجات ، يكون Q موجبًا. ردود الفعل الإيجابية Q تسمى طاردة للحرارة (أو خارجية).
هناك إطلاق صافٍ للطاقة ، لأن الطاقة الحركية للحالة النهائية أكبر مما كانت عليه في الحالة الأولية. بالنسبة للتفاعلات التي لوحظ فيها انخفاض في الطاقة الحركية للمنتجات ، يكون Q سالبًا.
نصف العمر
عمر النصف للمادة المشعة ثابت مميز. يقيس الوقت اللازم لكمية معينة من المادة ليتم تقليلها بمقدار النصف من خلال الاضمحلال وبالتالي الإشعاع.
يستخدم علماء الآثار والجيولوجيون نصف العمر حتى الآن على الكائنات العضوية في عملية تُعرف باسم التأريخ الكربوني. أثناء تحلل بيتا ، يتحول الكربون 14 إلى نيتروجين 14. في وقت الوفاة ، تتوقف الكائنات الحية عن إنتاج الكربون 14. لأن نصف العمر ثابت ، فإن نسبة الكربون 14 إلى النيتروجين 14 توفر مقياسًا لعمر العينة.
في المجال الطبي ، مصادر الطاقة للتفاعلات النووية هي نظائر مشعة للكوبالت 60 ، والتي تم استخدامها في العلاج الإشعاعي لتقليص الأورام التي سيتم إزالتها لاحقًا جراحيًا ، أو لقتل الخلايا السرطانية في حالة تعطلهاالأورام. عندما يتحلل إلى نيكل مستقر ، فإنه يصدر طاقتين عاليتين نسبيًا - أشعة جاما. اليوم يتم استبداله بأنظمة العلاج الإشعاعي بالحزمة الإلكترونية.
نصف عمر النظائر من بعض العينات:
- أكسجين 16 - لانهائي ؛
- يورانيوم 238 - 4،460،000،000 سنة ؛
- اليورانيوم 235-713.000.000 سنة ؛
- كربون 14-5730 سنة ؛
- كوبالت 60-5 ، 27 سنة ؛
- فضي 94 - 0.42 ثانية.
مواعدة الكربون المشع
بمعدل ثابت للغاية ، يتحلل الكربون غير المستقر 14 تدريجيًا إلى كربون 12. تكشف نسبة نظائر الكربون هذه عن عمر بعض أقدم سكان الأرض.
التأريخ بالكربون المشع طريقة توفر تقديرات موضوعية لعصر المواد القائمة على الكربون. يمكن تقدير العمر عن طريق قياس كمية الكربون 14 الموجودة في عينة ومقارنتها بمرجع معياري دولي.
تأثير التأريخ بالكربون المشع على العالم الحديث جعله أحد أهم الاكتشافات في القرن العشرين. تمتص النباتات والحيوانات الكربون 14 من ثاني أكسيد الكربون طوال حياتها. عندما يموتون ، يتوقفون عن تبادل الكربون مع المحيط الحيوي ، ويبدأ محتوى الكربون 14 في الانخفاض بمعدل يحدده قانون الاضمحلال الإشعاعي.
التأريخ بالكربون المشع هو في الأساس طريقة لقياس النشاط الإشعاعي المتبقي. يمكنك معرفة مقدار الكربون 14 المتبقي في العينةعمر الكائن الحي عند وفاته. وتجدر الإشارة إلى أن نتائج التأريخ بالكربون المشع تظهر متى كان الكائن الحي على قيد الحياة.
الطرق الأساسية لقياس الكربون المشع
هناك ثلاث طرق رئيسية مستخدمة لقياس الكربون 14 في أي حساب نسبي معين لأخذ العينات ، عداد وميض سائل ومقياس طيف كتلة المسرع.
العد التناسبي للغاز هو تقنية تأريخ إشعاعية شائعة تأخذ في الاعتبار جسيمات بيتا المنبعثة من عينة معينة. جسيمات بيتا هي نواتج اضمحلال للكربون المشع. في هذه الطريقة ، يتم تحويل عينة الكربون أولاً إلى غاز ثاني أكسيد الكربون قبل قياسها بالمتر التناسبي للغاز.
حساب سائل التلألؤ هو طريقة أخرى للتأريخ بالكربون المشع كانت شائعة في الستينيات. في هذه الطريقة ، تكون العينة في شكل سائل ويتم إضافة وميض. يخلق هذا الوامض وميضًا من الضوء عندما يتفاعل مع جسيم بيتا. يتم تمرير أنبوب العينة بين مضاعفتين ضوئيتين وعندما يسجل كلا الجهازين وميضًا من الضوء ، يتم إجراء العد.
فوائد العلوم النووية
تُستخدم قوانين التفاعلات النووية في مجموعة واسعة من فروع العلوم والتكنولوجيا ، مثل الطب والطاقة والجيولوجيا والفضاء وحماية البيئة. الطب النووي والأشعة من الممارسات الطبية التي تنطوي على استخدام الإشعاع أو النشاط الإشعاعي للتشخيص والعلاج والوقاية.الأمراض. بينما تم استخدام الأشعة منذ ما يقرب من قرن من الزمان ، بدأ استخدام مصطلح "الطب النووي" منذ حوالي 50 عامًا.
الطاقة النووية مستخدمة منذ عقود وهي واحدة من أسرع خيارات الطاقة نموًا للبلدان التي تبحث عن حلول لتوفير الطاقة منخفضة الانبعاثات وأمن الطاقة.
يستخدم علماء الآثار مجموعة واسعة من الأساليب النووية لتحديد عمر الأشياء. يمكن تأريخ المصنوعات اليدوية مثل كفن تورين ومخطوطات البحر الميت وتاج شارلمان باستخدام التقنيات النووية.
تستخدم التقنيات النووية في المجتمعات الزراعية لمحاربة الأمراض. تستخدم المصادر المشعة على نطاق واسع في صناعة التعدين. على سبيل المثال ، يتم استخدامها في الاختبار غير المدمر للانسدادات في خطوط الأنابيب واللحام ، في قياس كثافة المواد المثقوبة.
تلعب العلوم النووية دورًا مهمًا في مساعدتنا على فهم تاريخ بيئتنا.
