Dan kemampuan menggunakan energi nuklir secara kreatif ( energi nuklir), dan tujuan destruktif (bom atom), mungkin menjadi salah satu penemuan paling signifikan pada abad kedua puluh terakhir. Nah, inti dari semua kekuatan dahsyat yang tersembunyi di kedalaman sebuah atom kecil adalah reaksi nuklir.
Apa itu reaksi nuklir
Reaksi nuklir dalam fisika berarti proses interaksi inti atom dengan inti lain yang sejenis atau partikel unsur yang berbeda, sehingga mengakibatkan perubahan komposisi dan struktur inti.
Sedikit sejarah reaksi nuklir
Reaksi nuklir pertama dalam sejarah dilakukan oleh ilmuwan besar Rutherford pada tahun 1919 selama percobaan untuk mendeteksi proton dalam produk peluruhan nuklir. Ilmuwan membombardir atom nitrogen dengan partikel alfa, dan ketika partikel tersebut bertabrakan, terjadi reaksi nuklir.
Dan seperti inilah persamaan reaksi nuklir ini. Rutherford-lah yang berjasa atas penemuan reaksi nuklir.
Hal ini diikuti dengan berbagai percobaan oleh para ilmuwan dalam penerapannya berbagai jenis reaksi nuklir, misalnya yang sangat menarik dan signifikan bagi ilmu pengetahuan adalah reaksi nuklir akibat pemboman inti atom dengan neutron, yang dilakukan oleh fisikawan terkemuka Italia E. Fermi. Secara khusus, Fermi menemukan bahwa transformasi nuklir tidak hanya dapat disebabkan neutron cepat, tapi juga lambat, yang bergerak dengan kecepatan termal. Omong-omong, reaksi nuklir yang disebabkan oleh paparan suhu disebut reaksi termonuklir. Adapun reaksi nuklir di bawah pengaruh neutron, mereka dengan cepat memperoleh perkembangannya dalam sains, dan apa saja reaksinya, baca lebih lanjut.
Rumus khas reaksi nuklir.
Reaksi nuklir apa saja yang ada dalam fisika?
Secara umum reaksi nuklir yang dikenal saat ini dapat dibedakan menjadi:
- fisi inti atom
- reaksi termonuklir
Di bawah ini kami akan menulis secara rinci tentang masing-masingnya.
Fisi nuklir
Reaksi fisi inti atom melibatkan disintegrasi inti atom menjadi dua bagian. Pada tahun 1939, ilmuwan Jerman O. Hahn dan F. Strassmann menemukan fisi inti atom, melanjutkan penelitian pendahulu ilmiah mereka, mereka menemukan bahwa ketika uranium dibombardir dengan neutron, unsur-unsur bagian tengah muncul. tabel periodik Mendeleev, yaitu isotop radioaktif barium, kripton dan beberapa elemen lainnya. Sayangnya, pengetahuan ini pada awalnya digunakan untuk tujuan yang mengerikan dan merusak, seperti yang kedua perang dunia dan Jerman, dan di sisi lain, ilmuwan Amerika dan Soviet berlomba untuk berkembang senjata nuklir(yang didasarkan pada reaksi nuklir uranium), yang berakhir dengan “ jamur nuklir" lebih kota-kota Jepang Hiroshima dan Nagasaki.
Tapi kembali ke fisika, reaksi nuklir uranium selama pembelahan intinya memiliki energi yang sangat besar, yang mampu dimanfaatkan oleh ilmu pengetahuan. Bagaimana reaksi nuklir terjadi? Seperti yang kami tulis di atas, hal ini terjadi akibat pemboman inti atom uranium oleh neutron, yang menyebabkan inti terbelah, menciptakan energi kinetik yang sangat besar sekitar 200 MeV. Namun yang paling menarik adalah sebagai produk reaksi fisi nuklir inti uranium dari tumbukan dengan neutron, muncul beberapa neutron baru yang bebas, yang kemudian bertabrakan dengan inti baru, membelahnya, dan seterusnya. Akibatnya, terdapat lebih banyak neutron dan lebih banyak lagi inti uranium yang terpecah akibat tumbukan dengan neutron - reaksi berantai nuklir yang nyata terjadi.
Ini adalah tampilannya pada diagram.
Dalam hal ini, faktor perkalian neutron harus lebih besar dari satu, yaitu kondisi yang diperlukan reaksi nuklir jenis ini. Dengan kata lain, pada setiap generasi neutron berikutnya yang terbentuk setelah peluruhan inti, jumlahnya harus lebih banyak dibandingkan generasi sebelumnya.
Perlu dicatat bahwa, menurut prinsip serupa, reaksi nuklir selama pemboman juga dapat terjadi selama fisi inti atom beberapa unsur lain, dengan nuansa bahwa inti dapat dibombardir oleh berbagai partikel elementer, dan produk dari reaksi nuklir tersebut akan bervariasi, sehingga kita dapat menjelaskannya secara lebih rinci, kita memerlukan monografi ilmiah yang lengkap
Reaksi termonuklir
Reaksi termonuklir didasarkan pada reaksi fusi, yaitu proses yang berlawanan dengan fisi, inti atom tidak terpecah menjadi beberapa bagian, melainkan menyatu satu sama lain. Hal ini juga melepaskan sejumlah besar energi.
Reaksi termonuklir, seperti namanya (suhu termo), hanya dapat terjadi pada suhu sangat tinggi suhu tinggi Oh. Lagi pula, agar dua inti atom dapat bergabung, jarak keduanya harus sangat dekat jarak dekat satu sama lain, sambil mengatasi tolakan listrik mereka muatan positif, hal ini dimungkinkan dengan adanya energi kinetik yang tinggi, yang selanjutnya dapat terjadi pada suhu tinggi. Perlu dicatat bahwa reaksi termonuklir hidrogen tidak terjadi, namun, tidak hanya pada hidrogen, tetapi juga pada bintang lain; bahkan dapat dikatakan bahwa reaksi termonuklir merupakan dasar dari sifat bintang mana pun;
Reaksi nuklir, video
Dan terakhir, video edukasi tentang topik artikel kami, reaksi nuklir.
Sejak lama, orang dihantui oleh mimpi tentang interkonversi unsur-unsur - lebih tepatnya, transformasi berbagai logam menjadi satu. Setelah menyadari kesia-siaan upaya ini, sudut pandang tentang tidak dapat diganggu gugatnya unsur-unsur kimia pun terbentuk. Dan hanya penemuan struktur inti atom pada awal abad ke-20 yang menunjukkan bahwa transformasi unsur-unsur menjadi satu sama lain mungkin terjadi - tetapi tidak metode kimia, yaitu dampak terhadap eksternal kulit elektron atom, tetapi dengan mengganggu struktur inti atom. Fenomena semacam ini (dan beberapa lainnya) berkaitan dengan reaksi nuklir, contohnya akan dibahas di bawah. Namun pertama-tama kita perlu mengingat beberapa konsep dasar yang akan diperlukan dalam pembahasan ini.
Konsep umum reaksi nuklir
Ada fenomena di mana inti atom suatu unsur berinteraksi dengan inti lain atau partikel elementer, yaitu bertukar energi dan momentum dengan inti tersebut. Proses seperti ini disebut reaksi nuklir. Akibat yang ditimbulkan dapat berupa perubahan komposisi inti atau pembentukan inti baru dengan keluarnya partikel-partikel tertentu. Dalam hal ini, opsi berikut mungkin dilakukan:
- memutar satu unsur kimia ke yang lain;
- sintesis, yaitu peleburan inti yang membentuk inti unsur yang lebih berat.
Fase awal reaksi, ditentukan oleh jenis dan keadaan partikel yang masuk, disebut saluran masuk. Saluran keluaran adalah cara yang mungkin sepanjang reaksi akan berlangsung.
Aturan pencatatan reaksi nuklir
Contoh di bawah menunjukkan cara terjadinya reaksi yang melibatkan inti dan partikel elementer.
Cara pertama sama dengan yang digunakan dalam kimia: partikel awal ditempatkan di sisi kiri, dan produk reaksi ditempatkan di sisi kanan. Misalnya, interaksi inti berilium-9 dengan partikel alfa yang datang (yang disebut reaksi penemuan neutron) ditulis sebagai berikut:
9 4 Menjadi + 4 2 Dia → 12 6 C + 1 0 n.
Indeks atas menunjukkan jumlah nukleon, yaitu nomor massa inti, indeks bawah menunjukkan jumlah proton, yaitu nomor atom. Jumlah ruas kiri dan ruas kanan harus sama.
Cara singkat penulisan persamaan reaksi nuklir, yang sering digunakan dalam fisika, adalah sebagai berikut:
9 4 Menjadi (α, n) 12 6 C.
Bentuk umum notasi ini adalah: A (a, b 1 b 2…) B. Di sini A adalah inti sasaran; a - partikel atau inti yang datang; b 1, b 2 dan seterusnya merupakan produk reaksi terang; B adalah inti terakhir.
Energi reaksi nuklir
Dalam transformasi nuklir, hukum kekekalan energi terpenuhi (bersama dengan hukum kekekalan lainnya). Dalam hal ini, energi kinetik partikel pada saluran masuk dan saluran keluar reaksi dapat berbeda karena perubahan energi diam. Karena massa yang terakhir setara dengan massa partikel, massa sebelum dan sesudah reaksi juga akan berbeda. Namun energi total sistem selalu kekal.
Perbedaan energi diam antara partikel yang memasuki suatu reaksi dan yang meninggalkan reaksi disebut keluaran energi dan dinyatakan dalam perubahan energi kinetiknya.
Dalam proses yang melibatkan inti, ada tiga jenis yang terlibat interaksi mendasar- elektromagnetik, lemah dan kuat. Berkat yang terakhir, nukleus memiliki fitur penting seperti energi pengikatan yang tinggi antara partikel-partikel penyusunnya. Ini jauh lebih tinggi dibandingkan, misalnya, antara inti dan elektron atom atau antar atom dalam molekul. Hal ini dibuktikan dengan cacat massa yang nyata - perbedaan antara jumlah massa nukleon dan massa inti, yang selalu lebih kecil dari jumlahnya. sebanding dengan energi koneksi: Δm = E St / c 2. Cacat massa dihitung dengan rumus sederhana Δm = Zm p + Am n - M i, dimana Z adalah muatan inti, A adalah nomor massa, m p adalah massa proton (1,00728 sma), mn adalah massa neutron (1,00866 amu), M i - massa inti.
Saat menjelaskan reaksi nuklir, konsep tersebut digunakan energi tertentu ikatan (yaitu, per nukleon: mc 2 /A).
Mengikat energi dan stabilitas nuklir
Stabilitas terbesar, yaitu energi ikat spesifik tertinggi, dimiliki oleh inti dengan nomor massa 50 hingga 90, misalnya besi. “Stabilitas puncak” ini disebabkan oleh sifat kekuatan nuklir yang non-pusat. Karena setiap nukleon hanya berinteraksi dengan tetangganya, ikatannya lebih lemah pada permukaan nukleus dibandingkan di dalam. Semakin sedikit nukleon yang berinteraksi dalam suatu inti, semakin rendah energi ikatnya, sehingga inti ringan menjadi kurang stabil. Sebaliknya, seiring bertambahnya jumlah partikel dalam inti, gaya tolak Coulomb antar proton meningkat, sehingga energi ikat inti berat juga menurun.
Jadi, untuk inti ringan, yang paling mungkin, yaitu menguntungkan secara energetik, adalah reaksi fusi dengan pembentukan inti yang stabil. berat rata-rata, untuk yang berat, sebaliknya, proses peluruhan dan fisi (seringkali multi-tahap), sebagai akibatnya produk yang lebih stabil juga terbentuk. Reaksi-reaksi ini ditandai dengan hasil energi yang positif dan seringkali sangat tinggi, yang disertai dengan peningkatan energi ikat.
Di bawah ini kita akan melihat beberapa contoh reaksi nuklir.
Reaksi peluruhan
Inti dapat mengalami perubahan komposisi dan struktur secara spontan, di mana beberapa partikel elementer atau fragmen inti dipancarkan, seperti partikel alfa atau gugus yang lebih berat.
Jadi, selama peluruhan alfa, hal ini dimungkinkan karena terowongan kuantum, partikel alfa mengatasi penghalang potensial gaya nuklir dan meninggalkan inti induk, yang karenanya berkurang nomor atom sebanyak 2, dan nomor massa sebanyak 4. Misalnya, inti radium-226, yang memancarkan partikel alfa, berubah menjadi radon-222:
226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 Dia).
Energi peluruhan inti radium-226 adalah sekitar 4,87 MeV.
Peluruhan beta terjadi tanpa perubahan jumlah nukleon (nomor massa), tetapi dengan kenaikan atau penurunan muatan inti sebesar 1, dengan emisi antineutrino atau neutrino, serta elektron atau positron. Contoh reaksi nuklir dari jenis ini adalah peluruhan beta-plus dari fluor-18. Di sini, salah satu proton inti berubah menjadi neutron, positron dan neutrino dipancarkan, dan fluor berubah menjadi oksigen-18:
18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .
Energi peluruhan beta fluor-18 adalah sekitar 0,63 MeV.
Fisi nuklir
Reaksi fisi mempunyai keluaran energi yang jauh lebih besar. Ini adalah nama proses di mana inti secara spontan atau paksa terurai menjadi fragmen-fragmen dengan massa yang sama (biasanya dua, jarang tiga) dan beberapa produk yang lebih ringan. Sebuah inti membelah jika energi potensialnya melebihi nilai awalnya dengan jumlah tertentu, yang disebut penghalang fisi. Namun, kemungkinan terjadinya proses spontan bahkan untuk inti atom yang berat adalah rendah.
Ini meningkat secara signifikan ketika inti menerima energi yang sesuai dari luar (ketika sebuah partikel menabraknya). Neutron paling mudah menembus inti atom karena tidak terkena gaya tolak-menolak elektrostatis. Dampak neutron menyebabkan peningkatan energi dalam inti, itu berubah bentuk dengan pembentukan penyempitan dan pembelahan. Fragmen-fragmen itu terbang terpisah di bawah pengaruhnya Pasukan Coulomb. Contoh reaksi fisi nuklir ditunjukkan oleh uranium-235 yang menyerap neutron:
235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.
Pemisahan menjadi barium-144 dan kripton-89 hanyalah salah satunya pilihan yang memungkinkan fisi uranium-235. Reaksi ini dapat ditulis sebagai 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, dimana 236 92 U* merupakan inti senyawa tereksitasi tinggi dengan energi potensial tinggi. Kelebihannya, bersama dengan perbedaan energi ikat inti induk dan inti anak, dilepaskan terutama (sekitar 80%) dalam bentuk energi kinetik produk reaksi, dan juga sebagian dalam bentuk energi potensial pecahan fisi. Energi Total fisi inti masif - sekitar 200 MeV. Dalam satuan 1 gram uranium-235 (dengan asumsi semua inti telah bereaksi), jumlahnya adalah 8,2 ∙ 10 4 megajoule.
Reaksi berantai
Fisi uranium-235, serta inti atom seperti uranium-233 dan plutonium-239, dicirikan oleh satu fitur penting- kehadiran di antara produk reaksi neutron bebas. Partikel-partikel ini, yang menembus inti lain, pada gilirannya, mampu memulai fisinya, lagi-lagi dengan pelepasan neutron baru, dan seterusnya. Proses ini disebut reaksi berantai nuklir.
Jalannya reaksi berantai bergantung pada perbandingan jumlah neutron yang dipancarkan generasi berikutnya dengan jumlah neutron generasi sebelumnya. Rasio ini k = N i /N i -1 (di sini N adalah jumlah partikel, i adalah nomor seri generasi) disebut faktor perkalian neutron. Di k< 1 reaksi berantai tidak berfungsi. Ketika k > 1, jumlah neutron, dan inti fisil, meningkat seperti longsoran salju. Contoh reaksi berantai nuklir jenis ini adalah ledakan bom atom. Pada k = 1, proses terjadi dalam keadaan tunak, seperti yang dicontohkan pada reaksi yang dikendalikan oleh batang penyerap neutron dalam reaktor nuklir.
Fusi nuklir
Pelepasan energi terbesar (per nukleon) terjadi selama fusi inti ringan - yang disebut reaksi fusi. Untuk bereaksi, inti bermuatan positif harus mengatasi penghalang Coulomb dan mendekati jarak interaksi yang kuat, tidak melebihi ukuran inti itu sendiri. Oleh karena itu, mereka harus memiliki energi kinetik yang sangat tinggi, yang berarti suhu tinggi (puluhan juta derajat ke atas). Oleh karena itu, reaksi fusi disebut juga reaksi termonuklir.
Contoh reaksi fusi nuklir adalah pembentukan helium-4 dengan pelepasan neutron selama peleburan inti deuterium dan tritium:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 Dia + 1 0 n.
Di sini, energi sebesar 17,6 MeV dilepaskan, yang per nukleonnya 3 kali lebih tinggi daripada energi fisi uranium. Dari jumlah tersebut, 14,1 MeV terjadi di energi kinetik neutron dan 3,5 MeV - inti helium-4. Nilai signifikan tersebut tercipta karena perbedaan besar energi ikat inti deuterium (2,2246 MeV) dan tritium (8,4819 MeV) di satu sisi, dan helium-4 (28,2956 MeV) di sisi lain.
Dalam reaksi fisi nuklir, energi tolakan listrik dilepaskan, sedangkan dalam reaksi fusi, energi dilepaskan karena interaksi kuat - yang paling kuat di alam. Hal ini menentukan hasil energi yang signifikan dari reaksi nuklir jenis ini.
Contoh pemecahan masalah
Perhatikan reaksi fisi 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Berapa keluaran energinya? DI DALAM pandangan umum rumus perhitungannya yang mencerminkan perbedaan energi diam partikel sebelum dan sesudah reaksi adalah sebagai berikut:
Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + ...) ∙ c 2.
Daripada mengalikannya dengan kuadrat kecepatan cahaya, Anda dapat mengalikan perbedaan massa dengan faktor 931,5 untuk mendapatkan nilai energi dalam megaelektronvolt. Mengganti nilai yang sesuai ke dalam rumus massa atom, kita mendapatkan:
Q = (235.04393 + 1.00866 - 139.92164 - 93.91536 - 2∙1.00866) ∙ 931.5 ≈ 184.7 MeV.
Contoh lainnya adalah reaksi sintesis. Ini adalah salah satu tahapan siklus proton-proton - sumber utama energi matahari.
3 2 Dia + 3 2 Dia → 4 2 Dia + 2 1 1 H + γ.
Mari kita terapkan rumus yang sama:
Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 MeV.
Bagian utama dari energi ini - 12,8 MeV - terjadi di dalam hal ini per foton gamma.
Kami hanya membahas contoh reaksi nuklir yang paling sederhana. Fisika dari proses-proses ini sangatlah kompleks; mereka sangat beragam. Studi dan penerapan reaksi nuklir telah nilai yang besar seperti dalam bidang praktis(energi) dan dalam ilmu dasar.
– proses interaksi inti dengan partikel elementer atau inti lainnya, yang didalamnya terjadi perubahan struktur dan sifat inti. Misalnya emisi partikel elementer oleh inti, fisinya, emisi foton berenergi tinggi ( sinar gamma). Salah satu akibat dari reaksi nuklir adalah terbentuknya isotop yang tidak ada secara alami di Bumi.
Reaksi nuklir dapat terjadi ketika atom dibombardir oleh partikel cepat ( proton , neutron , ion , partikel alfa ).
Lagi informasi yang berguna Oleh topik yang berbeda- di teleram kami.
Reaksi nuklir
Salah satu reaksi nuklir pertama yang dilakukan manusia telah dilakukan Rutherford V 1919 tahun untuk mendeteksi proton. Pada saat itu belum diketahui apa isi inti atom nukleon (proton Dan neutron). Selama pembelahan banyak unsur, sebuah partikel ditemukan yang merupakan inti atom hidrogen. Berdasarkan eksperimennya, Rutherford membuat asumsi bahwa partikel ini merupakan bagian dari semua inti.
Reaksi ini persis menggambarkan salah satu eksperimen ilmuwan. Dalam percobaan tersebut, gasnya lebih tinggi ( nitrogen) dibombardir partikel alfa (inti helium), yang menghancurkan inti nitrogen proton , mengubahnya menjadi isotop oksigen. Rekaman reaksi ini terlihat seperti ini:
Ketika memecahkan masalah yang melibatkan reaksi nuklir, harus diingat bahwa kondisi berikut terpenuhi selama terjadinya: hukum klasik penghematan: mengenakan biaya , momentum sudut , impuls Dan energi .
Ada juga hukum konservasi muatan baryon . Ini berarti jumlah nukleon yang berpartisipasi dalam reaksi tetap tidak berubah. Jika kita melihat reaksinya, kita melihat jumlahnya nomor massa (nomor di atas) dan nomor atom l (bawah) pada ruas kanan dan kiri persamaan adalah sama.
Omong-omong! Sekarang ada diskon untuk semua pembaca kami 10% pada .
Energi ikat spesifik inti
Sebagaimana diketahui, salah satu gaya fundamental bekerja di dalam inti atom pada jarak yang sesuai dengan ukurannya. interaksi fisik – interaksi yang kuat . Untuk mengatasinya dan “menghancurkan” intinya, itu perlu jumlah besar energi.
Energi pengikatan nuklir - energi minimum yang diperlukan untuk memecah inti atom menjadi partikel elementer penyusunnya.
Massa setiap inti atom lebih kecil dari massa partikel penyusunnya. Perbedaan antara massa inti dan nukleon penyusunnya disebut cacat massal:
Angka Z Dan N mudah ditentukan menggunakan tabel periodik, dan Anda dapat membaca tentang cara melakukannya. Energi ikat dihitung dengan rumus:
Energi reaksi nuklir
Reaksi nuklir disertai dengan transformasi energi. Ada besaran yang disebut hasil energi reaksi dan ditentukan oleh rumus
Delta M – cacat massa, tetapi dalam hal ini adalah perbedaan massa antara produk awal dan akhir reaksi nuklir.
Reaksi dapat terjadi baik dengan pelepasan energi maupun dengan penyerapannya. Reaksi seperti ini disebut masing-masing eksotermik
Dan endotermik
.
Bocor reaksi eksotermik
, eksekusi diperlukan kondisi selanjutnya: energi kinetik produk awal harus lebih besar dari energi kinetik produk yang terbentuk selama reaksi.
Reaksi endotermik mungkin kapan energi pengikatan tertentu nukleon di produk asli energi pengikatan spesifik inti produk akhir yang lebih sedikit.
Contoh penyelesaian masalah reaksi nuklir
Dan sekarang pasangan contoh praktis dengan solusi:
Bahkan jika Anda menghadapi masalah dengan tanda bintang, perlu diingat bahwa tidak ada masalah yang tidak dapat diselesaikan. Layanan siswa akan membantu Anda menyelesaikan tugas apa pun.
Transisi isomer
Reaksi nuklir- proses pembentukan inti atau partikel baru selama tumbukan inti atau partikel. Reaksi nuklir pertama kali diamati oleh Rutherford pada tahun 1919, membombardir inti atom nitrogen dengan partikel α; reaksi ini dideteksi dengan munculnya partikel pengion sekunder dengan jangkauan gas lebih besar daripada partikel α dan diidentifikasi sebagai proton. Selanjutnya, foto-foto proses ini diperoleh dengan menggunakan cloud chamber.
Menurut mekanisme interaksinya, reaksi nuklir dibagi menjadi dua jenis:
- Reaksi dengan pembentukan inti senyawa adalah proses dua tahap yang terjadi ketika energi kinetik partikel yang bertabrakan tidak terlalu tinggi (hingga sekitar 10 MeV).
- reaksi nuklir langsung yang terjadi di waktu nuklir diperlukan partikel untuk melintasi inti. Mekanisme ini terutama memanifestasikan dirinya pada partikel yang membombardir energi tinggi.
Jika setelah tumbukan inti dan partikel asli tetap ada dan tidak ada yang baru yang lahir, maka reaksinya adalah hamburan elastis dalam medan gaya nuklir, hanya disertai dengan redistribusi energi kinetik dan momentum partikel dan inti sasaran. disebut potensi hamburan .
Mekanisme reaksi nuklir
Inti majemuk
Teori mekanisme reaksi pembentukan inti majemuk dikembangkan oleh Niels Bohr pada tahun 1936 bersama dengan teori model tetesan inti dan menjadi landasannya. ide-ide modern tentang sebagian besar reaksi nuklir.
Menurut teori ini, reaksi nuklir terjadi dalam dua tahap. Pada awalnya, partikel awal membentuk inti perantara (komposit) setelahnya waktu nuklir, yaitu waktu yang diperlukan suatu partikel untuk melintasi inti, kira-kira sama dengan 10 −23 - 10 −21. Dalam hal ini inti senyawa selalu terbentuk dalam keadaan tereksitasi, karena mempunyai kelebihan energi yang dibawa oleh partikel ke dalam inti berupa energi ikat nukleon dalam inti senyawa dan sebagian energi kinetiknya, yaitu sama dengan jumlah energi kinetik inti target dengan nomor massa dan partikel pada pusat inersia sistem.
Energi eksitasi
Energi eksitasi inti senyawa yang terbentuk pada penyerapan nukleon bebas sama dengan jumlah energi ikat nukleon dan sebagian energi kinetiknya:
Paling sering karena perbedaan besar massa inti dan nukleon kira-kira sama dengan energi kinetik nukleon yang membombardir inti.
Rata-rata, energi ikat adalah 8 MeV, bervariasi tergantung pada karakteristik inti senyawa yang dihasilkan, tetapi untuk inti dan nukleon target tertentu, nilai ini konstan. Energi kinetik suatu partikel yang membombardir dapat berupa apa saja, misalnya pada saat eksitasi reaksi nuklir oleh neutron yang potensialnya tidak memiliki penghalang Coulomb, nilainya bisa mendekati nol. Jadi, energi ikat adalah energi eksitasi minimum inti senyawa.
Saluran reaksi
Transisi ke keadaan tidak tereksitasi dapat dilakukan dalam berbagai cara, ditelepon saluran reaksi. Jenis dan keadaan kuantum partikel dan inti yang datang sebelum dimulainya reaksi ditentukan oleh saluran masukan reaksi. Setelah reaksi selesai, totalitas yang dihasilkan produk reaksi dan keadaan kuantumnya menentukan saluran keluaran reaksi. Reaksi sepenuhnya dicirikan oleh saluran masukan dan keluaran.
Saluran reaksi tidak bergantung pada cara pembentukan inti senyawa, yang dapat dijelaskan oleh umur inti senyawa yang lama; ia seolah-olah “melupakan” bagaimana pembentukannya, sehingga terjadi pembentukan dan peluruhan inti senyawa dapat dianggap sebagai acara independen. Misalnya, ia dapat dibentuk sebagai inti senyawa dalam keadaan tereksitasi melalui salah satu reaksi berikut:
Selanjutnya, asalkan energi eksitasinya sama, inti senyawa ini dapat meluruh dengan cara yang berlawanan dengan reaksi-reaksi ini, dengan kemungkinan tertentu tidak bergantung pada sejarah kemunculan inti tersebut. Kemungkinan pembentukan inti majemuk bergantung pada energi dan jenis inti sasaran.
Reaksi nuklir langsung
Jalannya reaksi nuklir juga dimungkinkan melalui mekanisme tersebut interaksi langsung Pada dasarnya, mekanisme ini memanifestasikan dirinya pada energi yang sangat tinggi dari partikel yang membombardir, ketika nukleon inti dapat dianggap bebas. Reaksi langsung berbeda dari mekanisme inti majemuk, pertama-tama, dalam distribusi vektor momentum partikel produk relatif terhadap momentum partikel yang membombardir. Berbeda dengan mekanisme inti senyawa yang simetri bola, interaksi langsung dicirikan oleh arah terbang produk reaksi yang dominan ke depan relatif terhadap arah pergerakan partikel yang datang. Distribusi energi partikel produk dalam kasus ini juga berbeda. Interaksi langsung ditandai dengan kelebihan partikel berenergi tinggi. Dalam tumbukan dengan inti atom partikel kompleks(yaitu inti lainnya), proses perpindahan nukleon dari inti ke inti atau pertukaran nukleon dimungkinkan. Reaksi semacam itu terjadi tanpa pembentukan inti senyawa dan mempunyai semua ciri interaksi langsung.
Penampang reaksi nuklir
Probabilitas suatu reaksi ditentukan oleh apa yang disebut penampang nuklir reaksi. Dalam kerangka acuan laboratorium (di mana inti target diam), probabilitas interaksi per satuan waktu sama dengan produk penampang (dinyatakan dalam satuan luas) dan fluks partikel yang datang (dinyatakan dalam bilangan partikel melintasi satuan luas per satuan waktu). Jika beberapa saluran keluaran dapat diimplementasikan untuk satu saluran masukan, maka rasio probabilitas saluran reaksi keluaran sama dengan rasio penampangnya. Dalam fisika nuklir, penampang reaksi biasanya dinyatakan dalam satuan khusus - lumbung, sama dengan 10 −24 cm².
Keluaran reaksi
Banyaknya kasus reaksi dibagi dengan jumlah partikel yang membombardir sasaran disebut keluaran reaksi nuklir. Nilai ini ditentukan secara eksperimental pada pengukuran kuantitatif. Karena rendemen berhubungan langsung dengan penampang reaksi, pengukuran rendemen pada dasarnya adalah pengukuran penampang reaksi.
Hukum kekekalan dalam reaksi nuklir
Dalam reaksi nuklir, semua hukum kekekalan fisika klasik terpenuhi. Undang-undang ini membatasi kemungkinan terjadinya reaksi nuklir. Bahkan proses yang sangat menguntungkan pun selalu menjadi mustahil jika disertai dengan pelanggaran terhadap undang-undang konservasi. Selain itu, terdapat undang-undang konservasi khusus untuk dunia mikro; beberapa di antaranya selalu terpenuhi, sejauh yang diketahui (hukum kekekalan bilangan baryon, bilangan lepton); hukum kekekalan lainnya (isospin, paritas, keanehan) hanya menekan reaksi tertentu, karena hukum tersebut tidak terpenuhi untuk beberapa interaksi fundamental. Konsekuensi dari undang-undang konservasi disebut aturan seleksi, yang menunjukkan kemungkinan atau larangan reaksi tertentu.
Hukum Kekekalan Energi
Jika , , , adalah energi total dua partikel sebelum dan sesudah reaksi, maka berdasarkan hukum kekekalan energi:
Jika lebih dari dua partikel terbentuk, jumlah suku di sisi kanan persamaan ini harus lebih banyak. Energi Total partikel sama dengan energi diamnya Mc 2 dan energi kinetik E, Itu sebabnya:
Perbedaan antara energi kinetik total partikel pada “output” dan “input” reaksi Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) ditelepon energi reaksi(atau hasil energi reaksi). Ini memenuhi kondisi:
Pengganda 1/ C Angka 2 biasanya dihilangkan ketika menghitung keseimbangan energi, yang menyatakan massa partikel dalam satuan energi (atau terkadang energi dalam satuan massa).
Jika Q> 0, maka reaksi disertai pelepasan energi bebas dan dipanggil eksoenergik , Jika Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergik .
Sangat mudah untuk melihatnya Q> 0 bila jumlah massa partikel produk lebih kecil dari jumlah massa partikel awal, yaitu pelepasan energi bebas hanya mungkin dilakukan dengan mereduksi massa partikel yang bereaksi. Dan sebaliknya, jika jumlah massa partikel sekunder melebihi jumlah massa partikel awal, maka reaksi tersebut hanya mungkin terjadi jika sejumlah energi kinetik dikeluarkan untuk meningkatkan energi diam, yaitu energi diam. massa partikel baru. Nilai minimal energi kinetik suatu partikel yang memungkinkan terjadinya reaksi endoenergi disebut energi reaksi ambang batas. Reaksi endoenergi disebut juga reaksi ambang batas, karena hal tersebut tidak terjadi pada energi partikel di bawah ambang batas.
Hukum kekekalan momentum
Momentum total partikel sebelum reaksi sama dengan momentum total partikel hasil reaksi. Jika , , , adalah vektor momentum dua partikel sebelum dan sesudah reaksi, maka
Masing-masing vektor dapat diukur secara independen secara eksperimental, misalnya dengan spektrometer magnetik. Data eksperimen menunjukkan bahwa hukum kekekalan momentum berlaku baik dalam reaksi nuklir maupun dalam proses hamburan mikropartikel.
Hukum kekekalan momentum sudut
Reaksi fusi nuklir
Reaksi fusi nuklir- proses peleburan dua inti atom membentuk inti baru yang lebih berat.
Selain inti baru, selama reaksi fusi, berbagai partikel elementer dan (atau) kuanta radiasi elektromagnetik juga biasanya terbentuk.
Tanpa pasokan energi eksternal fusi inti tidak mungkin terjadi, karena inti bermuatan positif mengalami gaya tolak-menolak elektrostatik - inilah yang disebut “penghalang Coulomb”. Untuk mensintesis inti atom, inti perlu didekatkan ke jarak sekitar 10–15 m, di mana aksi interaksi kuat akan melebihi gaya tolak-menolak elektrostatis. Hal ini dimungkinkan jika energi kinetik inti yang mendekat melebihi penghalang Coulomb.
Kondisi seperti ini dapat timbul dalam dua kasus:
- Jika materi dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi di dalam reaktor bintang atau fusi. Menurut teori kinetik, energi kinetik pergerakan mikropartikel suatu zat (atom, molekul, atau ion) dapat direpresentasikan sebagai suhu, dan oleh karena itu, dengan memanaskan suatu zat, reaksi fusi nuklir dapat dicapai. Dalam hal ini kita berbicara tentang fusi termonuklir atau reaksi termonuklir.
Reaksi termonuklir
Reaksi termonuklir- peleburan dua inti atom untuk membentuk inti baru yang lebih berat, karena energi kinetik gerak termalnya.
Untuk reaksi fusi nuklir, inti awal harus memiliki energi kinetik yang relatif tinggi, karena mengalami tolakan elektrostatis karena bermuatan positif.
Pertama-tama, di antaranya perlu diperhatikan reaksi antara dua isotop (deuterium dan tritium) hidrogen, yang sangat umum di Bumi, yang menghasilkan pembentukan helium dan pelepasan neutron. Reaksinya dapat ditulis sebagai:
+ energi (17,6 MeV).
Energi yang dilepaskan (yang timbul dari fakta bahwa helium-4 memiliki sifat yang sangat kuat hubungan nuklir) berubah menjadi energi kinetik, sebagian besar diantaranya, 14,1 MeV, membawa neutron sebagai partikel yang lebih ringan. Inti yang dihasilkan terikat erat, itulah sebabnya reaksinya sangat eksoenergik. Reaksi ini dicirikan oleh penghalang Coulomb terendah dan hasil yang besar, jadi dia mewakili minat khusus untuk dikelola fusi termonuklir.
Reaksi fotonuklir
Ketika kuantum gamma diserap, inti menerima energi berlebih tanpa mengubah komposisi nukleonnya, dan inti dengan energi berlebih merupakan inti majemuk. Seperti reaksi nuklir lainnya, penyerapan kuantum gamma oleh inti hanya mungkin terjadi jika energi yang diperlukan dan hubungan spin terpenuhi. Jika energi yang ditransfer ke inti melebihi energi pengikatan nukleon di dalam inti, maka peluruhan inti senyawa yang dihasilkan paling sering terjadi dengan emisi nukleon, terutama neutron. Peluruhan seperti itu menyebabkan reaksi nuklir dan disebut fotonuklir, dan fenomena emisi nukleon dalam reaksi ini adalah efek fotolistrik nuklir.
Lainnya
Merekam reaksi nuklir
Reaksi nuklir ditulis dalam bentuk rumus khusus yang memuat sebutan inti atom dan partikel elementer.
Cara pertama Penulisan rumus reaksi nuklir sama dengan penulisan rumus reaksi kimia, yaitu jumlah partikel asal ditulis di sebelah kiri, jumlah partikel hasil (hasil reaksi) ditulis di sebelah kanan, dan diberi tanda panah. di antara mereka.
Jadi, reaksi penangkapan radiasi neutron oleh inti kadmium-113 ditulis sebagai berikut:
Kita melihat jumlah proton dan neutron di kanan dan kiri tetap sama (bilangan baryon kekal). Hal yang sama berlaku untuk muatan listrik, bilangan lepton dan besaran lainnya (energi, momentum, momentum sudut, ...). Dalam beberapa reaksi yang melibatkan interaksi lemah, proton dapat berubah menjadi neutron dan sebaliknya, namun jumlah totalnya tidak berubah.
Cara kedua notasi yang lebih sesuai untuk fisika nuklir memiliki bentuk A (a, bcd...)B, Di mana A- inti sasaran, A- partikel yang membombardir (termasuk nukleus), b, c, d, …- partikel yang dipancarkan (termasuk inti), DI DALAM- sisa inti. Produk reaksi yang lebih ringan ditulis dalam tanda kurung, produk reaksi yang lebih berat ditulis di luar. Dengan demikian, reaksi penangkapan neutron di atas dapat ditulis dalam bentuk ini.
Pada rendah (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 MeV) energi. Perbedaan dibuat pada inti ringan (inti target A< 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
SAYA nuklir dapat terjadi jika dua partikel yang terlibat di dalamnya mendekat pada jarak yang lebih kecil dari diameter inti (kira-kira 10 -13 cm), yaitu pada jarak di mana gaya interaksi intranuklir bekerja. antar nukleon penyusun inti. Jika kedua peserta partikel nuklir Karena pemboman dan inti target bermuatan positif, pendekatan partikel-partikel tersebut dicegah oleh gaya tolak-menolak dari dua partikel positif. muatan, dan partikel yang membombardir harus mengatasi apa yang disebut. penghalang potensial Coulomb. Ketinggian penghalang ini bergantung pada muatan partikel yang membombardir dan muatan inti target. Untuk kernel yang merespons dengan rata-rata. nilai , dan membombardir partikel dengan muatan +1, tinggi penghalang kira-kira. 10 MeV. Jika partikel yang tidak bermuatan () berpartisipasi dalam proses nuklir, tidak ada penghalang potensial Coulomb, dan reaksi nuklir dapat berlangsung dengan partisipasi partikel yang memiliki muatan. energi panas(yaitu energi yang berhubungan dengan getaran termal).
Kemungkinan terjadinya inti nuklir bukan karena pemboman inti target oleh partikel yang datang, tetapi karena konvergensi inti yang sangat kuat (yaitu, mendekat pada jarak yang sebanding dengan diameter inti) yang terletak di benda padat atau di permukaan. (misalnya, dengan partisipasi inti yang dilarutkan); Sejauh ini (1995) belum ada data yang dapat dipercaya mengenai penerapan nuklir semacam itu (“fusi termonuklir dingin”).
SAYA nuklir tunduk pada hukum alam umum yang sama seperti kimia biasa. r-tion (dan energi, kekekalan muatan, momentum). Selain itu, selama berlangsungnya reaksi nuklir, efek spesifik tertentu juga terjadi. hukum yang tidak muncul dalam kimia. p-tions, misalnya hukum kekekalan muatan baryon (baryon berat).
Inti nuklir dapat ditulis seperti yang ditunjukkan pada contoh transformasi inti Pu menjadi inti Ku ketika target plutonium diiradiasi dengan inti:
Dari catatan ini terlihat jelas bahwa jumlah muatan di kiri dan kanan (94 + 10 = 104) dan jumlah (242 + 22 = 259 + 5) adalah sama. Karena simbol kimianya elemen dengan jelas menunjukkan pada. nomor (muatan inti), maka ketika menulis nilai inti dari muatan partikel, biasanya tidak dicantumkan. Lebih sering nuklir ditulis lebih pendek. Jadi, pembentukan inti 14 C selama iradiasi inti 14 N dicatat sebagai berikut. cara: 14 N(n, p) 14 C.
Dalam tanda kurung, pertama-tama tunjukkan partikel atau kuantum yang membombardir, kemudian, dipisahkan dengan koma, partikel cahaya atau kuantum yang dihasilkan. Sesuai dengan metode pencatatan ini, (n, p), (d, p), (n, 2n) dan nuklir lainnya.
Ketika partikel yang sama bertabrakan, partikel inti dapat terpisah. cara. Misalnya, ketika target aluminium diiradiasi, jejak dapat terjadi. nuklir: 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na dan dll. Kumpulan partikel yang bertabrakan disebut. saluran masukan nuklir, dan partikel-partikel yang lahir akibat nuklir membentuk saluran keluaran.
SAYA Reaksi nuklir nuklir dapat terjadi dengan pelepasan dan penyerapan energi Q. Jika secara umum energi nuklir kita tuliskan sebagai A(a, b)B, maka untuk energi nuklir tersebut energi nuklir sama dengan: Q = [(MA + M a) - (M b + M b)] x c 2, dengan M adalah massa partikel inti yang terlibat; c adalah kecepatan cahaya. Dalam praktiknya, lebih mudah menggunakan nilai deltaM (lihat), maka ekspresi untuk menghitung Q berbentuk: dan untuk alasan kemudahan, biasanya dinyatakan dalam kiloelektronvolt (keV, 1 sma = 931501,59 keV = 1,492443 x 10 -7 kJ).
Perubahan energi yang menyertai energi nuklir bisa 10 6 kali atau lebih besar dibandingkan energi yang dilepaskan atau diserap selama reaksi kimia. r-tions. Oleh karena itu, selama nuklir, perubahan massa inti yang berinteraksi menjadi nyata: energi yang dilepaskan atau diserap sama dengan perbedaan jumlah massa partikel sebelum dan sesudah inti nuklir. Kemungkinan melepaskan energi dalam jumlah besar selama penerapan nuklir terletak pada dasar nuklir (lihat). Studi tentang hubungan antara energi partikel yang berpartisipasi dalam reaksi nuklir, serta hubungan antara sudut di mana partikel yang dihasilkan terbang terpisah, merupakan bagian fisika nuklir- kinematika sistem nuklir.
Keluaran nuklir, yaitu rasio jumlah partikel nuklir dengan jumlah partikel yang jatuh per satuan luas (1 cm 2) target biasanya tidak melebihi 10 -6 -10 -3. Untuk target tipis (secara sederhana, target tipis dapat disebut target, ketika aliran partikel yang membombardir melewatinya tidak melemah secara nyata), hasil nuklir sebanding dengan jumlah partikel yang jatuh pada 1 cm 2 permukaan target, jumlah inti yang terkandung dalam 1 cm 2 target, serta nilai penampang inti efektif. Bahkan ketika menggunakan sumber partikel insiden yang kuat seperti reaktor nuklir, dalam waktu 1 jam, sebagai suatu peraturan, dimungkinkan untuk memperoleh ketika melakukan nuklir di bawah pengaruh tidak lebih dari beberapa. mg mengandung inti baru. Biasanya, massa suatu zat yang diperoleh di fasilitas nuklir tertentu jauh lebih kecil.
Partikel yang membombardir. Untuk melakukan reaksi nuklir, digunakan n, p, deuteron d, triton t, partikel, berat (12 C, 22 Ne, 40 Ar, dll.), e kuanta. Sumber (lihat) dalam pelaksanaan nuklir adalah: campuran logam. Jadilah dan emitor yang sesuai, mis. 226 Ra (disebut sumber ampul), generator neutron, reaktor nuklir. Karena dalam banyak kasus, nuklir lebih tinggi untuk energi rendah (termal), maka sebelum mengarahkan aliran ke target, mereka biasanya diperlambat dengan menggunakan bahan lain. Dalam kasus fundamental yang lambat. proses untuk hampir semua inti adalah penangkapan radiasi - tipe nuklir, karena penghalang Coulomb pada inti mencegah keluarnya partikel. Di bawah pengaruhnya, aliran berantai terjadi.
Jika digunakan sebagai pemboman partikel, deuteron, dll, membawa positif. muatan, partikel yang membombardir dipercepat menjadi energi tinggi(dari puluhan MeV hingga ratusan GeV), menggunakan dekomp. akselerator. Hal ini diperlukan agar partikel bermuatan dapat mengatasi penghalang potensial Coulomb dan memasuki inti yang diiradiasi. Saat menyinari target dengan partikel bermuatan positif, maks. Hasil nuklir dicapai dengan menggunakan deuteron. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa energi ikat dalam deuteron relatif kecil, sehingga jarak antara dan besar.
Ketika deuteron digunakan sebagai partikel pembom, hanya satu nukleon yang sering menembus ke dalam inti yang diiradiasi - atau, nukleon kedua dari inti deuteron terbang lebih jauh, biasanya ke arah yang sama dengan deuteron yang datang. Penampang melintang efektif yang tinggi dapat dicapai dengan melakukan uji coba nuklir antara deuteron dan inti ringan pada energi partikel datang yang relatif rendah (1-10 MeV). Oleh karena itu, inti nuklir yang melibatkan deuteron dapat dibuat tidak hanya dengan menggunakan deuteron yang dipercepat dengan akselerator, tetapi juga dengan memanaskan campuran inti yang berinteraksi hingga suhu sekitar. 10 7 K. Nuklir semacam itu disebut termonuklir. DI DALAM kondisi alam mereka hanya terjadi di kedalaman bintang. Di Bumi, hubungan termonuklir yang melibatkan,
