Reakcje jądrowe.

Reakcje jądrowe.
Reakcją jądrową nazywamy taką reakcję, w czasie której
bombardujemy jądro atomowe cząstką o dużej energii i
wywołujemy zmianę jego własności, bądź rodzaju. Do
bombardowania wykorzystać można np. cząstki alfa,
protony, neutrony jak również fotony gamma
(wysokoenergetyczne).
Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził w 1919 roku
Ernest Rutherford. Wywołał ją bombardując jądra azotu
cząstkami alfa.
Reakcja to pozwoliła na odkrycie protonu.
Reakcja jądrowa wywołana bombardowaniem jąder
berylu cząstkami alfa doprowadziła do odkrycia w 1932
roku przez James’a Chadwick’a neutronów.
Przebieg reakcji jądrowej można obserwować używając
wynalezionej w 1952 roku komory pęcherzykowej. Jest to
cylinder wypełniony przezroczystą cieczą (np. wodorem,
deuterem, helem w stanie ciekłym), skonstruowany w taki
sposób, aby można było szybko
zmienić jego pojemność (np.
poprzez przesunięcie tłoka
zamykającego komorę),
wprowadzając w ten sposób
znajdującą się w komorze ciecz w
stan przegrzania. Przelatujące
przez przegrzaną ciecz cząstki
jonizujące zostawiają za sobą ślad
w postaci pęcherzyków pary.
Komora pęcherzykowa zastąpiła
komorę Wilsona wynalezioną w
1900 r.
Aby wywołać reakcję jądrową należy zderzyć np. cząstkę
alfa z jądrem atomowym. W tym celu trzeba pokonać
odpychanie elektrostatyczne (cząstka alfa i jądro mają
ładunek dodatni). Im większe jądro, tym większy ma
ładunek i tym szybciej musi poruszać się cząstka alfa, aby
zbliżyła się na dostatecznie małą odległość by wywołać
reakcję jądrową.
Źródłem cząstek alfa używanych w pierwszych
eksperymentach były próbki pierwiastków
promieniotwórczych. Cząstki alfa tak uzyskiwane mają
małą energię kinetyczną. Ogranicza to możliwości
przeprowadzania reakcji jądrowych do lekkich jąder.
Współcześnie reakcje jądrowe przeprowadza się
wykorzystując akceleratory cząstek (np. w CERN), w
których cząstki rozpędzane są do wielkich prędkości za
pomocą pola elektrycznego i magnetycznego.
Europejski Ośrodek Badań Jądrowych (CERN)
Położenie tunelu
najstarszego dużego
akceleratora CERN-u
– Synchrotronu
Protonowego
oznaczone jest
najmniejszym
okręgiem na dole
zdjęcia. Drugi co do
wielkości okrąg to akcelerator SPS. Największy okrąg to
podziemny tunel akceleratora LHC o długości 27 km.
Reakcje jądrowe pozwalają uzyskiwać pierwiastki nie
występujące w przyrodzie np. technet, promet, pluton itp.
Reakcjami jądrowymi rządzą następujące prawa:
1. Zachowania ładunku elektrycznego.
Komora pęcherzykowa w trakcie transportu. Fermilab, USA Całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa
Fotografia śladów pozostawionych przez całkowitej liczbie protonów po reakcji.
2. Zachowania liczby nukleonów.
cząstki w komorze
Całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same.
pęcherzykowej.
Cząstki poruszają się
3. Zachowania masy-energii.
w polu
Dla danego układu izolowanego podlegającego
magnetycznym
przemianie
(schemat obok), więc
jądrowej stała jest suma energii (masa związana jest z
na podstawie kierunku skręcania cząstek można
energią przez równanie Einsteina E=mc2).
określić ich ładunek elektryczny.
4. Zachowania pędu.
5. Zachowania momentu pędu.
Przebieg reakcji jądrowej
Cząstka bombardująca ulega pochłonięciu przez
Reakcje jądrowe można podzielić pod względem
początkowe jądro atomowe, co powoduje powstanie
energetycznym na:
jądra przejściowego, które ulega przemianie do jądra
egzotermiczne (energia wydzielona podczas
końcowego. Proces ten można opisać równaniem:
reakcji jest większa niż energia konieczna do jej
wywołania) i endotermiczne (wymagające
większej ilości energii do wywołania niż zostaje
wyemitowana w wyniku reakcji).