Միջուկային ռեակցիա (NR) - պրոցես, որի ժամանակ ատոմի միջուկը փոխվում է մեկ այլ ատոմի միջուկի ջախջախման կամ համակցման միջոցով: Այսպիսով, այն պետք է հանգեցնի առնվազն մեկ նուկլիդի վերափոխմանը մյուսի: Երբեմն, եթե միջուկը փոխազդում է մեկ այլ միջուկի կամ մասնիկի հետ՝ առանց որևէ նուկլիդի բնույթը փոխելու, գործընթացը կոչվում է միջուկային ցրում։ Ամենաուշագրավը, հավանաբար, լույսի տարրերի միաձուլման ռեակցիաներն են, որոնք ազդում են աստղերի և արևի էներգիայի արտադրության վրա։ Բնական ռեակցիաները տեղի են ունենում նաև տիեզերական ճառագայթների փոխազդեցության ժամանակ նյութի հետ։
Բնական միջուկային ռեակտոր
Մարդու կողմից վերահսկվող ամենաուշագրավ ռեակցիան միջուկային ռեակտորներում տեղի ունեցող տրոհման ռեակցիան է: Սրանք միջուկային շղթայական ռեակցիա սկսելու և վերահսկելու սարքեր են։ Բայց կան ոչ միայն արհեստական ռեակտորներ։ Աշխարհի առաջին բնական միջուկային ռեակտորը հայտնաբերվել է 1972 թվականին Գաբոնի Օկլոյում ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ֆրենսիս Պերինի կողմից:
Պայմանները, որոնց դեպքում կարող է առաջանալ միջուկային ռեակցիայի բնական էներգիան, կանխատեսել է 1956 թվականին Փոլ Կազուո Կուրոդան: Միակ հայտնի վայրըաշխարհը բաղկացած է 16 տեղանքից, որոնցում տեղի են ունեցել այս տեսակի ինքնապահպանվող ռեակցիաներ: Ենթադրվում է, որ սա եղել է մոտ 1,7 միլիարդ տարի առաջ և շարունակվել է մի քանի հարյուր հազար տարի, ինչի մասին վկայում են քսենոնային իզոտոպները (տրոհման արդյունք գազ) և U-235/U-238 (ուրանի բնական հարստացում) տարբեր հարաբերակցությունները։
Միջուկային տրոհում
Կապող էներգիայի գծապատկերը ցույց է տալիս, որ 130 a.m.u.-ից մեծ զանգված ունեցող նուկլիդները. պետք է ինքնաբերաբար բաժանվեն միմյանցից՝ ձևավորելով ավելի թեթև և կայուն նուկլիդներ: Փորձնականորեն գիտնականները պարզել են, որ միջուկային ռեակցիայի տարրերի ինքնաբուխ տրոհման ռեակցիաները տեղի են ունենում միայն ամենածանր նուկլիդների մոտ՝ 230 և ավելի զանգվածային թվով: Եթե նույնիսկ դա արվի, դա շատ դանդաղ է ընթանում: Օրինակ, 238 U-ի ինքնաբուխ տրոհման կես կյանքը 10-16 տարի է կամ մոտ երկու միլիոն անգամ ավելի երկար, քան մեր մոլորակի տարիքը: Ճեղքման ռեակցիաները կարող են առաջանալ ծանր նուկլիդների նմուշները դանդաղ ջերմային նեյտրոններով ճառագայթելով: Օրինակ, երբ 235 U-ն կլանում է ջերմային նեյտրոնը, այն ճեղքվում է անհավասար զանգվածի երկու մասնիկի և արձակում միջինը 2,5 նեյտրոն։
238 U նեյտրոնի կլանումը միջուկում առաջացնում է թրթռումներ, որոնք դեֆորմացնում են այն մինչև այն կոտրվում է բեկորների, ճիշտ այնպես, ինչպես հեղուկի մի կաթիլը կարող է փշրվել փոքր կաթիլներով: Ավելի քան 370 դուստր նուկլիդներ ատոմային զանգվածներով առավոտյան 72-ից մինչև 161-ը ընկած ժամանակահատվածում: ձևավորվում են տրոհման ժամանակ ջերմային նեյտրոն 235U-ով, ներառյալ երկու արտադրանք,ցուցադրված է ստորև։
Միջուկային ռեակցիայի իզոտոպները, ինչպիսին է ուրանը, ենթարկվում են ինդուկտիվ տրոհման: Սակայն միակ բնական իզոտոպը 235 U-ն առատորեն առկա է ընդամենը 0,72%-ով։ Այս իզոտոպի առաջացած տրոհումը մեկ ատոմի համար թողարկում է միջինը 200 ՄէՎ, կամ 235 U-ի մեկ գրամի համար 80 միլիոն կիլոջուլ: այրվել է գազ։
Առաջին միջուկային ռեակտոր
Առաջին արհեստական միջուկային ռեակտորը կառուցվել է Էնրիկո Ֆերմիի և Չիկագոյի համալսարանի ֆուտբոլային մարզադաշտի աշխատակիցների կողմից և շահագործման է հանձնվել 1942 թվականի դեկտեմբերի 2-ին։ Այս ռեակտորը, որն արտադրում էր մի քանի կիլովատ հզորություն, բաղկացած էր 385 տոննա գրաֆիտի բլոկներից, որոնք շերտերով շարված էին 40 տոննա ուրանի և ուրանի օքսիդից բաղկացած խորանարդ ցանցի շուրջ: Այս ռեակտորում 238 U կամ 235 U լարման ինքնաբուխ տրոհումը շատ քիչ նեյտրոններ է արտադրել։ Բայց կար բավականաչափ ուրան, ուստի այս նեյտրոններից մեկը առաջացրեց 235 U միջուկի տրոհում, դրանով իսկ արձակելով միջինը 2,5 նեյտրոն, ինչը կատալիզացրեց լրացուցիչ 235 U միջուկների տրոհումը շղթայական ռեակցիայի մեջ (միջուկային ռեակցիաներ):
Շղթայական ռեակցիան պահպանելու համար պահանջվող տրոհվող նյութի քանակը կոչվում է կրիտիկական զանգված: Կանաչ սլաքները ցույց են տալիս ուրանի միջուկի պառակտումը երկու տրոհման բեկորների մեջ, որոնք արտանետում են նոր նեյտրոններ: Այս նեյտրոններից որոշները կարող են առաջացնել նոր տրոհման ռեակցիաներ (սև նետեր): Ոմանքնեյտրոնները կարող են կորցնել այլ գործընթացներում (կապույտ սլաքներ): Կարմիր սլաքները ցույց են տալիս ուշացած նեյտրոնները, որոնք ավելի ուշ են գալիս ռադիոակտիվ տրոհման բեկորներից և կարող են առաջացնել նոր տրոհման ռեակցիաներ։
Միջուկային ռեակցիաների անվանումը
Եկեք նայենք ատոմների հիմնական հատկություններին, ներառյալ ատոմային թիվը և ատոմային զանգվածը: Ատոմային թիվը ատոմի միջուկի պրոտոնների թիվն է, իսկ իզոտոպներն ունեն նույն ատոմային թիվը, բայց տարբերվում են նեյտրոնների քանակով։ Եթե սկզբնական միջուկները նշանակվում են a և b, իսկ արտադրյալ միջուկները՝ c և d, ապա ռեակցիան կարող է ներկայացվել այն հավասարմամբ, որը կարող եք տեսնել ստորև:
Ո՞ր միջուկային ռեակցիաները վերացնում են լույսի մասնիկները՝ ամբողջական հավասարումներ օգտագործելու փոխարեն: Շատ իրավիճակներում կոմպակտ ձևն օգտագործվում է նման գործընթացները նկարագրելու համար. a (b, c) d-ն համարժեք է a + b-ին, որն արտադրում է c + d: Լույսի մասնիկները հաճախ կրճատվում են. սովորաբար p նշանակում է պրոտոն, n՝ նեյտրոն, d՝ դեյտրոն, α՝ ալֆա կամ հելիում-4, β՝ բետա կամ էլեկտրոն, γ՝ գամմա ֆոտոն և այլն:
Միջուկային ռեակցիաների տեսակները
Չնայած նման հնարավոր ռեակցիաների թիվը հսկայական է, դրանք կարելի է դասակարգել ըստ տեսակի։ Այս ռեակցիաների մեծ մասն ուղեկցվում է գամմա ճառագայթմամբ։ Ահա մի քանի օրինակ՝
- Առաձգական ցրում. Առաջանում է, երբ էներգիա չի փոխանցվում թիրախային միջուկի և մուտքային մասնիկի միջև։
- Անառաձգական ցրում. Առաջանում է էներգիայի փոխանցման ժամանակ։ Կինետիկ էներգիաների տարբերությունը պահպանվում է գրգռված նուկլիդի մեջ։
- Սպանել ռեակցիաները: ինչպես լիցքավորված, այնպես էլչեզոք մասնիկները կարող են գրավել միջուկները: Սա ուղեկցվում է ɣ-ճառագայթների արտանետմամբ։ Նեյտրոնների գրավման ռեակցիայի միջուկային ռեակցիաների մասնիկները կոչվում են ռադիոակտիվ նուկլիդներ (առաջացած ռադիոակտիվություն):
- Փոխանցման ռեակցիաներ. Մասնիկի կլանումը, որն ուղեկցվում է մեկ կամ մի քանի մասնիկների արտանետմամբ, կոչվում է փոխանցման ռեակցիա։
- տրոհման ռեակցիաներ. Միջուկային տրոհումը ռեակցիա է, որի ժամանակ ատոմի միջուկը բաժանվում է փոքր մասերի (ավելի թեթև միջուկներ): Ճեղքման պրոցեսը հաճախ արտադրում է ազատ նեյտրոններ և ֆոտոններ (գամմա ճառագայթների տեսքով) և ազատում մեծ քանակությամբ էներգիա։
- Ֆյուզիոն ռեակցիաներ. Առաջանում են, երբ երկու կամ ավելի ատոմային միջուկներ բախվում են շատ մեծ արագությամբ և միանում են՝ ձևավորելով նոր տեսակի ատոմային միջուկ: Դեյտերիում-տրիումի միաձուլման միջուկային մասնիկները առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում ապագայում էներգիա ապահովելու իրենց ներուժի պատճառով:
- Պառակտման ռեակցիաներ. Առաջանում է այն ժամանակ, երբ միջուկին հարվածում է մասնիկը, որն ունի բավականաչափ էներգիա և իմպուլս, որպեսզի կոտրի մի քանի փոքր բեկորներ կամ կոտրի այն բազմաթիվ բեկորների:
- Վերադասավորման ռեակցիաներ. Սա մասնիկի կլանումն է, որն ուղեկցվում է մեկ կամ մի քանի մասնիկների արտանետմամբ:
- 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
Տարբեր վերադասավորումների ռեակցիաները փոխում են նեյտրոնների և պրոտոնների թիվը։
Միջուկային քայքայում
Միջուկային ռեակցիաները տեղի են ունենում, երբ անկայուն ատոմը կորցնում է էներգիանճառագայթում. Դա պատահական գործընթաց է միայնակ ատոմների մակարդակով, քանի որ քվանտային տեսության համաձայն անհնար է կանխատեսել, թե երբ կքայքայվի առանձին ատոմը։
Ռադիոակտիվ քայքայման բազմաթիվ տեսակներ կան.
- Ալֆա ռադիոակտիվություն. Ալֆա մասնիկները կազմված են երկու պրոտոններից և երկու նեյտրոններից, որոնք կապված են հելիումի միջուկին նույնական մասնիկի հետ։ Իր շատ մեծ զանգվածի և լիցքի շնորհիվ այն ուժեղ իոնացնում է նյութը և ունի շատ կարճ տիրույթ։
- Բետա ռադիոակտիվություն. Դա բարձր էներգիայի, բարձր արագությամբ պոզիտրոններ կամ էլեկտրոններ են, որոնք արտանետվում են ռադիոակտիվ միջուկների որոշ տեսակներից, օրինակ՝ կալիում-40-ից։ Բետա մասնիկները ունեն ավելի մեծ ներթափանցման տիրույթ, քան ալֆա մասնիկները, բայց դեռ շատ ավելի քիչ, քան գամմա ճառագայթները: Արտանետվող բետա մասնիկները իոնացնող ճառագայթման ձև են, որը նաև հայտնի է որպես միջուկային շղթայական ռեակցիայի բետա ճառագայթներ: Բետա մասնիկների արտադրությունը կոչվում է բետա քայքայում:
- Գամմա ռադիոակտիվություն. Գամմա ճառագայթները շատ բարձր հաճախականության էլեկտրամագնիսական ճառագայթներ են և, հետևաբար, բարձր էներգիայի ֆոտոններ են: Դրանք ձևավորվում են, երբ միջուկները քայքայվում են, քանի որ դրանք բարձր էներգիայի վիճակից անցնում են ավելի ցածր վիճակի, որը հայտնի է որպես գամմա քայքայում: Միջուկային ռեակցիաների մեծ մասն ուղեկցվում է գամմա ճառագայթմամբ։
- Նեյտրոնների արտանետում. Նեյտրոնների արտանետումը միջուկների ռադիոակտիվ քայքայման տեսակ է, որը պարունակում է ավելցուկ նեյտրոններ (հատկապես տրոհման արտադրանք), որի դեպքում նեյտրոնը պարզապես դուրս է մղվում միջուկից։ Այս տեսակըճառագայթումը առանցքային դեր է խաղում միջուկային ռեակտորների կառավարման մեջ, քանի որ այդ նեյտրոնները հետաձգվում են:
Էներգիա
Միջուկային ռեակցիայի էներգիայի Q արժեքն այն էներգիայի քանակն է, որն ազատվում կամ կլանվում է ռեակցիայի ընթացքում: Այն կոչվում է ռեակցիայի էներգիայի հաշվեկշիռ կամ Q արժեք։ Այս էներգիան արտահայտվում է որպես արտադրանքի կինետիկ էներգիայի և ռեակտիվ նյութի քանակի տարբերություն։
Ռեակցիայի ընդհանուր պատկերացում. x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), որտեղ x-ը և X-ը ռեակտիվներ են, և y և Y-ն ռեակցիայի արդյունք է, որը կարող է որոշել միջուկային ռեակցիայի էներգիան, Q-ն էներգիայի հաշվեկշիռն է:
Q-արժեքը NR-ն վերաբերում է ռեակցիայի ժամանակ արտազատվող կամ ներծծվող էներգիային: Այն նաև կոչվում է NR էներգիայի հաշվեկշիռ, որը կարող է լինել դրական կամ բացասական՝ կախված բնույթից:
Եթե Q-արժեքը դրական է, ռեակցիան կլինի էկզոթերմիկ, որը նաև կոչվում է էկզորոգիկ: Նա ազատում է էներգիան: Եթե Q-արժեքը բացասական է, ռեակցիան էնդոերգիկ է կամ էնդոթերմիկ: Նման ռեակցիաներն իրականացվում են էներգիայի կլանմամբ։
Միջուկային ֆիզիկայում նման ռեակցիաները սահմանվում են Q արժեքով, որպես սկզբնական ռեակտիվների և վերջնական արտադրանքների զանգվածների գումարի տարբերություն։ Այն չափվում է էներգիայի միավորներով MeV: Դիտարկենք մի բնորոշ ռեակցիա, երբ արկը և A թիրախը զիջում են B և b երկու արտադրանքներին:
Սա կարող է արտահայտվել այսպես. a + A → B + B, կամ նույնիսկ ավելի կոմպակտ նշումով - A (a, b) B. Միջուկային ռեակցիայի էներգիաների տեսակները և այս ռեակցիայի նշանակությունըորոշվում է բանաձևով՝
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, որը համընկնում է վերջնական արտադրանքի ավելցուկային կինետիկ էներգիայի հետ:
Q=T վերջնական - T սկզբնական
Այն ռեակցիաների համար, որոնցում առկա է արտադրանքի կինետիկ էներգիայի աճ, Q-ն դրական է: Դրական Q ռեակցիաները կոչվում են էկզոտերմիկ (կամ էկզոգեն):
Կա էներգիայի զուտ արտազատում, քանի որ վերջնական վիճակի կինետիկ էներգիան ավելի մեծ է, քան սկզբնական վիճակում: Այն ռեակցիաների համար, որոնցում նկատվում է արտադրանքի կինետիկ էներգիայի նվազում, Q-ն բացասական է։
Կիսամյակ
Ռադիոակտիվ նյութի կես կյանքը բնորոշ հաստատուն է: Այն չափում է այն ժամանակը, որը պահանջվում է, որպեսզի նյութի տվյալ քանակությունը կիսով չափ կրճատվի քայքայման և հետևաբար ճառագայթման միջոցով:
Հնագետներն ու երկրաբաններն օգտագործում են օրգանական օբյեկտների կիսամյակը մինչև օրս՝ ածխածնային թվագրման գործընթացում: Բետա քայքայման ժամանակ ածխածինը 14-ը վերածվում է ազոտի 14-ի: Մահվան պահին օրգանիզմները դադարում են արտադրել ածխածին 14: Քանի որ կիսաքայքայման ժամկետը հաստատուն է, ածխածնի 14-ի և ազոտի 14-ի հարաբերակցությունը չափում է նմուշի տարիքը:
Բժշկության ոլորտում միջուկային ռեակցիաների էներգիայի աղբյուրները կոբալտ 60-ի ռադիոակտիվ իզոտոպներն են, որն օգտագործվել է ճառագայթային թերապիայի համար՝ փոքրացնելու ուռուցքները, որոնք հետագայում կհեռացվեն վիրաբուժական ճանապարհով, կամ սպանելու քաղցկեղի բջիջները անգործունակ վիճակում։ուռուցքներ. Երբ այն քայքայվում է կայուն նիկելի մեջ, այն արձակում է երկու համեմատաբար բարձր էներգիա՝ գամմա ճառագայթներ: Այսօր այն փոխարինվում է էլեկտրոնային ճառագայթով ռադիոթերապիայի համակարգերով։
Իզոտոպի կիսամյակը որոշ նմուշներից՝
- թթվածին 16 - անսահման;
- ուրան 238 - 4,460,000,000 տարի;
- ուրան 235 - 713,000,000 տարի;
- ածխածին 14 - 5730 տարի;
- կոբալտ 60 - 5, 27 տարեկան;
- արծաթ 94 - 0,42 վայրկյան։
Ռադիոածխածնային ժամադրություն
Շատ կայուն արագությամբ անկայուն ածխածինը 14-ը աստիճանաբար քայքայվում է ածխածնի 12-ի: Ածխածնի այս իզոտոպների հարաբերակցությունը ցույց է տալիս Երկրի ամենահին բնակիչների տարիքը:
Ռադիոածխածնային ժամադրությունը մեթոդ է, որն ապահովում է ածխածնի վրա հիմնված նյութերի տարիքի օբյեկտիվ գնահատականներ: Տարիքը կարելի է գնահատել՝ չափելով նմուշում առկա ածխածնի 14 քանակը և այն համեմատելով միջազգային ստանդարտի հետ:
Ռադիոածխածնային թվագրման ազդեցությունը ժամանակակից աշխարհի վրա այն դարձրել է 20-րդ դարի ամենանշանակալի հայտնագործություններից մեկը: Բույսերն ու կենդանիները ողջ կյանքի ընթացքում յուրացնում են ածխածնի 14-ը ածխաթթու գազից։ Երբ նրանք մահանում են, նրանք դադարում են ածխածնի փոխանակումը կենսոլորտի հետ, և նրանց ածխածնի 14 պարունակությունը սկսում է նվազել ռադիոակտիվ քայքայման օրենքով որոշված արագությամբ։
Ռադիոածխածնային թվագրումը հիմնականում մնացորդային ռադիոակտիվության չափման մեթոդ է: Իմանալով, թե որքան ածխածին 14 է մնացել նմուշում, կարող եք պարզելօրգանիզմի մահացած տարիքը. Հարկ է նշել, որ ռադիոածխածնային թվագրման արդյունքները ցույց են տալիս, թե երբ է եղել օրգանիզմը կենդանի։
Ռադիոածխածնի չափման հիմնական մեթոդներ
Կա երեք հիմնական մեթոդ, որն օգտագործվում է ածխածնի 14-ը չափելու համար ցանկացած տվյալ նմուշառման համամասնական հաշվարկում, հեղուկ ցինտիլացիայի հաշվիչին և արագացուցիչի զանգվածային սպեկտրաչափությանը:
Գազերի համաչափ հաշվումը տարածված ռադիոմետրիկ թվագրման տեխնիկա է, որը հաշվի է առնում տվյալ նմուշի կողմից արտանետվող բետա մասնիկները: Բետա մասնիկները ռադիոածխածնի քայքայման արտադրանք են: Այս մեթոդով ածխածնի նմուշը սկզբում վերածվում է ածխաթթու գազի՝ նախքան գազի համամասնական մետրերով չափելը:
Սցինտիլային հեղուկի հաշվարկը ռադիոածխածնային թվագրման մեկ այլ մեթոդ է, որը տարածված էր 1960-ականներին: Այս մեթոդով նմուշը գտնվում է հեղուկ վիճակում և ավելացվում է ցինտիլյատոր: Այս ցինտիլյատորը լույսի բռնկում է ստեղծում, երբ այն փոխազդում է բետա մասնիկի հետ: Նմուշի խողովակն անցնում է երկու ֆոտոբազմապատկիչների միջև, և երբ երկու սարքերն էլ գրանցում են լույսի բռնկում, կատարվում է հաշվարկ:
Միջուկային գիտության օգուտները
Միջուկային ռեակցիաների օրենքներն օգտագործվում են գիտության և տեխնիկայի մի շարք ճյուղերում, ինչպիսիք են բժշկությունը, էներգետիկան, երկրաբանությունը, տիեզերքը և շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը: Միջուկային բժշկությունը և ճառագայթաբանությունը բժշկական պրակտիկաներ են, որոնք ներառում են ճառագայթման կամ ռադիոակտիվության օգտագործում ախտորոշման, բուժման և կանխարգելման համար:հիվանդություններ. Թեև ռադիոլոգիան օգտագործվում է գրեթե մեկ դար, «միջուկային բժշկություն» տերմինը սկսել է օգտագործվել մոտ 50 տարի առաջ:
Միջուկային էներգիան օգտագործվում է տասնամյակներ շարունակ և հանդիսանում է էներգիայի ամենաարագ զարգացող տարբերակներից մեկը այն երկրների համար, ովքեր փնտրում են էներգետիկ անվտանգություն և ցածր արտանետումների էներգախնայողության լուծումներ:
Հնագետները օգտագործում են միջուկային մեթոդների լայն շրջանակ՝ օբյեկտների տարիքը որոշելու համար։ Արտեֆակտները, ինչպիսիք են Թուրինի ծածկոցը, Մեռյալ ծովի մատյանները և Կարլոս Մեծի թագը, կարելի է թվագրել և վավերացնել միջուկային տեխնիկայի միջոցով:
Միջուկային տեխնիկան օգտագործվում է գյուղատնտեսական համայնքներում հիվանդությունների դեմ պայքարելու համար: Ռադիոակտիվ աղբյուրները լայնորեն օգտագործվում են հանքարդյունաբերության մեջ։ Օրինակ՝ դրանք օգտագործվում են խողովակաշարերի և եռակցման խցանումների ոչ կործանարար փորձարկման, ծակված նյութի խտությունը չափելու համար։
Միջուկային գիտությունը արժեքավոր դեր է խաղում՝ օգնելով մեզ հասկանալ մեր միջավայրի պատմությունը:
