תגובה גרעינית (NR) - תהליך שבו גרעין של אטום משתנה על ידי ריסוק או שילוב עם גרעין של אטום אחר. לפיכך, הוא חייב להוביל להפיכת גרעין אחד לפחות לאחר. לפעמים, אם גרעין מקיים אינטראקציה עם גרעין או חלקיק אחר מבלי לשנות את אופיו של גרעין כלשהו, התהליך מכונה פיזור גרעיני. אולי הבולטות ביותר הן תגובות ההיתוך של יסודות קלים, המשפיעים על ייצור האנרגיה של הכוכבים והשמש. תגובות טבעיות מתרחשות גם באינטראקציה של קרניים קוסמיות עם חומר.
כור גרעיני טבעי
התגובה הבולטת ביותר הנשלטת על ידי האדם היא תגובת הביקוע המתרחשת בכורים גרעיניים. מדובר במכשירים להפעלה ובקרה של תגובת שרשרת גרעינית. אבל יש לא רק כורים מלאכותיים. הכור הגרעיני הטבעי הראשון בעולם התגלה ב-1972 באוקלו שבגבון על ידי הפיזיקאי הצרפתי פרנסיס פרין.
התנאים שבהם ניתן להפיק את האנרגיה הטבעית של תגובה גרעינית נחזה ב-1956 על ידי פול קאזואו קורודה. המקום הידוע היחיד בהעולם מורכב מ-16 אתרים שבהם התרחשו תגובות מתקיימות מהסוג הזה. מאמינים שזה היה לפני 1.7 מיליארד שנים ונמשך במשך כמה מאות אלפי שנים, כפי שמעידים איזוטופים של קסנון (גז תוצר ביקוע) ויחסים משתנים של U-235/U-238 (העשרת אורניום טבעי).
ביקוע גרעיני
עלילת האנרגיה המחייבת מציעה שנוקלידים בעלי מסה גדולה מ-130 א.מ.ו. צריכים להיפרד באופן ספונטני זה מזה כדי ליצור גרעינים קלים ויציבים יותר. בניסוי, מדענים מצאו שתגובות ביקוע ספונטניות של יסודות תגובה גרעינית מתרחשות רק עבור הגרעינים הכבדים ביותר עם מספר מסה של 230 או יותר. גם אם זה נעשה, זה מאוד איטי. זמן מחצית החיים של ביקוע ספונטני של 238 U, למשל, הוא 10-16 שנים, או בערך פי שני מיליון יותר מגיל הפלנטה שלנו! ניתן לגרום לתגובות ביקוע על ידי הקרנת דגימות של נוקלידים כבדים עם נויטרונים תרמיים איטיים. לדוגמה, כאשר 235 U סופג נויטרון תרמי, הוא נשבר לשני חלקיקים בעלי מסה לא אחידה ומשחרר בממוצע 2.5 נויטרונים.
ספיגת הנייטרון 238 U גורמת לתנודות בגרעין, אשר מעוותות אותו עד שהוא נשבר לרסיסים, בדיוק כפי שטיפת נוזל יכולה להתנפץ לטיפות קטנות יותר. יותר מ-370 נוקלידים בת עם מסה אטומית בין 72 ל-161 בבוקר. נוצרים במהלך הביקוע על ידי נויטרון תרמי 235U, כולל שני מוצרים,מוצג למטה.
איזוטופים של תגובה גרעינית, כגון אורניום, עוברים ביקוע מושרה. אבל האיזוטופ הטבעי היחיד 235 U קיים בשפע ב-0.72% בלבד. הביקוע המושרה של איזוטופ זה משחרר ממוצע של 200 MeV לאטום, או 80 מיליון קילוג'ול לגרם של 235 U. ניתן להבין את המשיכה של ביקוע גרעיני כמקור אנרגיה על ידי השוואת ערך זה ל-50 קילו ג'ל/ג המשתחררים כשהוא טבעי הגז נשרף.
הכור הגרעיני הראשון
הכור הגרעיני המלאכותי הראשון נבנה על ידי אנריקו פרמי ועמיתיו לעבודה תחת אצטדיון הכדורגל של אוניברסיטת שיקגו והופעל ב-2 בדצמבר 1942. הכור הזה, שהפיק כמה קילוואט כוח, היה מורכב מערימה של 385 טון של גושי גרפיט שנערמו בשכבות סביב סריג מעוקב של 40 טון של אורניום ותחמוצת אורניום. ביקוע ספונטני של 238 U או 235 U בכור זה יצר מעט מאוד נויטרונים. אבל היה מספיק אורניום, אז אחד מהנייטרונים האלה גרם לביקוע של גרעין 235 U, ובכך שיחרר ממוצע של 2.5 נויטרונים, מה שזירז את הביקוע של 235 U גרעינים נוספים בתגובת שרשרת (תגובות גרעיניות).
כמות החומר הבקיע הנדרשת כדי לקיים תגובת שרשרת נקראת מסה קריטית. החצים הירוקים מראים את פיצול גרעין האורניום בשני שברי ביקוע הפולטים נויטרונים חדשים. חלק מהנייטרונים הללו יכולים לעורר תגובות ביקוע חדשות (חצים שחורים). חלק מנויטרונים עלולים ללכת לאיבוד בתהליכים אחרים (חצים כחולים). חיצים אדומים מראים נויטרונים מושהים שמגיעים מאוחר יותר משברי ביקוע רדיואקטיביים ויכולים לעורר תגובות ביקוע חדשות.
ייעוד של תגובות גרעיניות
בוא נסתכל על התכונות הבסיסיות של אטומים, כולל מספר אטומי ומסה אטומית. המספר האטומי הוא מספר הפרוטונים בגרעין של אטום, ולאיזוטופים יש אותו מספר אטומי אך שונים במספר הנייטרונים. אם הגרעינים הראשוניים מסומנים a ו-b, וגרעיני התוצר מסומנים c ו-d, אזי התגובה יכולה להיות מיוצגת על ידי המשוואה שתוכל לראות למטה.
איזו תגובות גרעיניות מבטלות עבור חלקיקי אור במקום להשתמש במשוואות מלאות? במצבים רבים, הצורה הקומפקטית משמשת לתיאור תהליכים כאלה: a (b, c) d שווה ערך ל-a + b המייצרים c + d. חלקיקי אור מקוצרים לעתים קרובות: בדרך כלל p מייצג פרוטון, n עבור נויטרון, d עבור דיוטרון, α עבור אלפא או הליום-4, β עבור בטא או אלקטרון, γ עבור פוטון גמא וכו'.
סוגי תגובות גרעיניות
למרות שמספר התגובות האפשריות מסוג זה הוא עצום, ניתן למיין אותן לפי סוג. רוב התגובות הללו מלוות בקרינת גמא. הנה כמה דוגמאות:
- פיזור אלסטי. מתרחש כאשר לא מועברת אנרגיה בין גרעין המטרה לחלקיק הנכנס.
- פיזור לא אלסטי. מתרחש בעת העברת אנרגיה. ההבדל באנרגיות הקינטיות נשמר בנוקליד הנרגש.
- ללכוד תגובות. גם טעון וגםניתן ללכוד חלקיקים ניטרליים על ידי גרעינים. זה מלווה בפליטת קרני ɣ. החלקיקים של תגובות גרעיניות בתגובת לכידת נויטרונים נקראים נוקלידים רדיואקטיביים (רדיואקטיביות מושרה).
- תגובות שידור. ספיגת חלקיק, המלווה בפליטת חלקיק אחד או יותר, נקראת תגובת העברה.
- תגובות ביקוע. ביקוע גרעיני הוא תגובה שבה גרעין האטום מפוצל לחתיכות קטנות יותר (גרעינים קלים יותר). תהליך הביקוע מייצר לרוב נויטרונים ופוטונים חופשיים (בצורת קרני גמא) ומשחרר כמויות גדולות של אנרגיה.
- תגובות פיוז'ן. מתרחשים כאשר שני גרעיני אטום או יותר מתנגשים במהירות גבוהה מאוד ומתאחדים ליצירת סוג חדש של גרעין אטום. חלקיקי היתוך גרעיניים של דאוטריום-טריטיום מעניינים במיוחד בגלל הפוטנציאל שלהם לספק אנרגיה בעתיד.
- תגובות מפצלות. מתרחש כאשר גרעין נפגע על ידי חלקיק בעל מספיק אנרגיה ותנופה כדי להפיל כמה שברים קטנים או לשבור אותו לרסיסים רבים.
- תגובות סידור מחדש. זוהי ספיגה של חלקיק, המלווה בפליטת חלקיק אחד או יותר:
- 197Au (עמ', ד) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (א, ד) 58Co
- 54Fe (א, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
תגובות סידור מחדש שונות משנות את מספר הנייטרונים ואת מספר הפרוטונים.
התפרקות גרעינית
תגובות גרעיניות מתרחשות כאשר אטום לא יציב מאבד אנרגיה דרכוקְרִינָה. זהו תהליך אקראי ברמה של אטומים בודדים, שכן לפי תורת הקוונטים אי אפשר לחזות מתי אטום בודד יתפרק.
ישנם סוגים רבים של ריקבון רדיואקטיבי:
- רדיואקטיביות אלפא. חלקיקי אלפא מורכבים משני פרוטונים ושני נויטרונים הקשורים יחד עם חלקיק זהה לגרעין הליום. בשל המסה הגדולה מאוד שלו והמטען שלו, הוא מיינן חזק את החומר ובעל טווח קצר מאוד.
- רדיואקטיביות בטא. זהו פוזיטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, או אלקטרונים, הנפלטים מסוגים מסוימים של גרעינים רדיואקטיביים, כמו אשלגן-40. לחלקיקי בטא יש טווח חדירה גדול יותר מחלקיקי אלפא, אך עדיין הרבה פחות מקרני גמא. חלקיקי בטא שנפלטו הם סוג של קרינה מייננת, הידועה גם כקרני ביתא של תגובת שרשרת גרעינית. הייצור של חלקיקי בטא נקרא ריקבון בטא.
- רדיואקטיביות גמא. קרני גמא הן קרינה אלקטרומגנטית בתדירות גבוהה מאוד ולכן הן פוטונים באנרגיה גבוהה. הם נוצרים כאשר גרעינים מתפוררים כשהם עוברים ממצב של אנרגיה גבוהה למצב נמוך יותר המכונה ריקבון גמא. רוב התגובות הגרעיניות מלוות בקרינת גמא.
- פליטת נייטרונים. פליטת ניוטרונים היא סוג של דעיכה רדיואקטיבית של גרעינים המכילים עודף נויטרונים (במיוחד תוצרי ביקוע), שבה הנייטרון פשוט נפלט מהגרעין. הסוג הזהלקרינה תפקיד מפתח בשליטה על כורים גרעיניים מכיוון שהנייטרונים הללו מתעכבים.
Energy
Q-ערך של האנרגיה של תגובה גרעינית הוא כמות האנרגיה המשתחררת או נספגת במהלך התגובה. זה נקרא מאזן האנרגיה, או ערך Q של התגובה. אנרגיה זו מתבטאת כהבדל בין האנרגיה הקינטית של התוצר לבין כמות המגיב.
תצוגה כללית של התגובה: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), כאשר x ו-X הם מגיבים, ו- y ו Y הם תוצר תגובה, שיכול לקבוע את האנרגיה של תגובה גרעינית, Q הוא מאזן האנרגיה.
Q-value NR מתייחס לאנרגיה המשתחררת או נספגת בתגובה. זה נקרא גם מאזן האנרגיה NR, שיכול להיות חיובי או שלילי בהתאם לאופי.
אם ערך ה-Q חיובי, התגובה תהיה אקזותרמית, הנקראת גם אקזורגית. היא משחררת אנרגיה. אם ערך ה-Q שלילי, התגובה היא אנדוארגית, או אנדותרמית. תגובות כאלה מתבצעות על ידי ספיגת אנרגיה.
בפיזיקה גרעינית, תגובות כאלה מוגדרות לפי ערך ה-Q, כהפרש בין סכום המסות של המגיבים הראשוניים לבין התוצרים הסופיים. הוא נמדד ביחידות אנרגיה MeV. שקול תגובה טיפוסית שבה קליע a ומטרה A נותנים לשני תוצרים B ו-b.
ניתן לבטא זאת כך: a + A → B + B, או אפילו בסימון קומפקטי יותר - A (a, b) B. סוגי אנרגיות בתגובה גרעינית והמשמעות של תגובה זונקבע על ידי הנוסחה:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, אשר עולה בקנה אחד עם עודף האנרגיה הקינטית של המוצרים הסופיים:
Q=T final - T initial
לתגובות שבהן יש עלייה באנרגיה הקינטית של התוצרים, Q חיובי. תגובות Q חיוביות נקראות אקסותרמיות (או אקסוגניות).
יש שחרור נטו של אנרגיה, מכיוון שהאנרגיה הקינטית של המצב הסופי גדולה יותר מאשר במצב ההתחלתי. עבור תגובות שבהן נצפית ירידה באנרגיה הקינטית של התוצרים, Q הוא שלילי.
חצי חיים
זמן מחצית החיים של חומר רדיואקטיבי הוא קבוע אופייני. הוא מודד את הזמן הנדרש להפחתת כמות נתונה של חומר בחצי עקב ריקבון ולכן קרינה.
ארכאולוגים וגיאולוגים משתמשים בזמן מחצית החיים עד כה על עצמים אורגניים בתהליך המכונה תיארוך פחמן. במהלך ריקבון בטא, פחמן 14 הופך לחנקן 14. בזמן המוות, אורגניזמים מפסיקים לייצר פחמן 14. מכיוון שזמן מחצית החיים קבוע, היחס בין פחמן 14 לחנקן 14 מספק מדד לגיל הדגימה.
בתחום הרפואי, מקורות האנרגיה של תגובות גרעיניות הם איזוטופים רדיואקטיביים של קובלט 60, ששימש לטיפול בקרינה כדי לכווץ גידולים שיוסרו מאוחר יותר בניתוח, או כדי להרוג תאים סרטניים במצב לא ניתוחיגידולים. כאשר הוא מתפרק לניקל יציב, הוא פולט שתי אנרגיות גבוהות יחסית – קרני גמא. היום הוא מוחלף על ידי מערכות קרינה באמצעות קרן אלקטרונים.
זמן מחצית חיים של איזוטופ מכמה דוגמאות:
- oxygen 16 - אינסופי;
- אורניום 238 - 4,460,000,000 שנים;
- אורניום 235 - 713,000,000 שנים;
- פחמן 14 - 5,730 שנים;
- קובלט 60 - 5, בני 27;
- silver 94 - 0.42 שניות.
דיאטי פחמן
בקצב מאוד יציב, פחמן 14 לא יציב מתפרק בהדרגה לפחמן 12. היחס בין איזוטופי פחמן אלה חושף את גילם של כמה מתושבי כדור הארץ העתיקים ביותר.
תיארוך רדיוקרבוני היא שיטה המספקת הערכות אובייקטיביות של גילם של חומרים מבוססי פחמן. ניתן להעריך את הגיל על ידי מדידת כמות הפחמן 14 הקיים בדגימה והשוואתה לתקן בינלאומי.
השפעת תיארוך פחמן רדיואקטיבי על העולם המודרני הפכה אותו לאחת התגליות המשמעותיות ביותר של המאה ה-20. צמחים ובעלי חיים מטמיעים פחמן 14 מפחמן דו חמצני לאורך חייהם. כשהם מתים, הם מפסיקים להחליף פחמן עם הביוספרה, ותכולת הפחמן 14 שלהם מתחילה לרדת בקצב שנקבע על ידי חוק ההתפרקות הרדיואקטיבית.
תיארוך רדיוקרבוני הוא בעצם שיטה למדידת רדיואקטיביות שיורית. לדעת כמה פחמן 14 נשאר במדגם, אתה יכול לגלותגיל האורגניזם מתי הוא מת. יש לציין שהתוצאות של תיארוך פחמן רדיואקטיבי מראות מתי האורגניזם היה בחיים.
שיטות בסיסיות למדידת פחמן רדיו
ישנן שלוש שיטות עיקריות המשמשות למדידת פחמן 14 בכל חישוב פרופורציונלי נתון של הדגימה, מונה ניצוץ נוזלים וספקטרומטריית מסה מאיץ.
ספירת גזים פרופורציונלית היא טכניקת תיארוך רדיומטרית נפוצה שלוקחת בחשבון את חלקיקי הבטא הנפלטים מדגימה נתונה. חלקיקי בטא הם תוצרי ריקבון של פחמן רדיו. בשיטה זו, דגימת הפחמן מומרת תחילה לגז פחמן דו חמצני לפני שנמדדה במטרים פרופורציונליים לגז.
ספירת נוזלי סינטילציה היא שיטה נוספת לתיארוך פחמן רדיואקטיבי שהייתה פופולרית בשנות ה-60. בשיטה זו הדגימה היא בצורה נוזלית ומוסיפים לו נצנץ. נצנוץ זה יוצר הבזק של אור כאשר הוא יוצר אינטראקציה עם חלקיק בטא. צינור הדגימה מועבר בין שני מכפילי פוטו וכאשר שני המכשירים רושמים הבזק אור, מתבצעת ספירה.
היתרונות של מדעי הגרעין
חוקי התגובות הגרעיניות משמשים במגוון רחב של ענפי מדע וטכנולוגיה, כגון רפואה, אנרגיה, גיאולוגיה, חלל והגנה על הסביבה. רפואה גרעינית ורדיולוגיה הן פרקטיקות רפואיות הכוללות שימוש בקרינה או רדיואקטיביות לצורך אבחון, טיפול ומניעה.מחלות. בעוד שהרדיולוגיה נמצאת בשימוש כבר כמעט מאה שנה, המונח "רפואה גרעינית" החל להיות בשימוש לפני כ-50 שנה.
כוח גרעיני נמצא בשימוש כבר עשרות שנים והוא אחת מאפשרויות האנרגיה הצומחות ביותר עבור מדינות המחפשות אבטחת אנרגיה ופתרונות לחיסכון באנרגיה בפליטות נמוכות.
ארכאולוגים משתמשים במגוון רחב של שיטות גרעיניות כדי לקבוע את גילם של עצמים. ניתן לתארך ולאמת חפצים כגון תכריכים של טורינו, מגילות ים המלח וכתר קרל הגדול באמצעות טכניקות גרעיניות.
טכניקות גרעיניות משמשות בקהילות חקלאיות כדי להילחם במחלות. מקורות רדיואקטיביים נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הכרייה. לדוגמה, הם משמשים בבדיקות לא הרסניות של סתימות בצינורות וריתוכים, במדידת צפיפות החומר המנוקב.
מדע הגרעין ממלא תפקיד חשוב בסיוע לנו להבין את ההיסטוריה של הסביבה שלנו.
