Sztuczna promieniotwórczość. Reakcje jądrowe.

Pierwszą sztuczną przemianę jądrową zaobserwował Rutherford w 1918 r.

Na ekranie scyntylacyjnym obserwowano za pomocą mikroskopu błyski, mimo iż zasięg cząstek α był znacznie krótszy niż odległość źródła od ekranu. Dalsze badania wykazały, że scyntylacje wywołane są przez jądra wodoru (protony). Podczas zderzenia cząstek α z atomami azotu, cząstka α zostaje pochłonięta przez jądro azotu. Powstaje jądro złożone, które rozpada się emitując proton, samo zaś doznaje odrzutu zgodnie z zasadą zachowania pędu.

 skrócony zapis reakcji

Z kilkuset tysięcy śladów cząstek α obserwowano kilka, które rozgałęziały się na dwa: cienki i długi tor protonu oraz cienki i gruby tor jądra odrzutu
.

Obliczamy energię tej reakcji jądrowej.

Jest to reakcja endotermiczna. Reakcja ta może zaistnieć dzięki energii kinetycznej cząstki α.

Przykład reakcji jądrowej, egzotermicznej:

Nadmiar energii ujawnia się w formie energii kinetycznej produktów reakcji.

Sztuczne izotopy promieniotwórcze otrzymujemy np. Bombardując neutronami izotopy trwałe:

lub

W wyniku sztucznej reakcji jądrowej możemy otrzymywać złoto z rtęci (marzenie średniowiecznych alchemików). Jednak powstałe w tej reakcji jądro złota jest nietrwałe i ulega rozpadowi:

Trwałe jądra złota otrzymujemy bombardując neutronami jądra platyny:

Reakcja taka nie jest opłacalna (platyna jest droższa od złota).

Ogólny schemat reakcji jądrowych:

1. Powstanie jądra złożonego

gdzie

a - cząstki, którymi bombardujemy

2. Przemiana jądra złożonego

gdzie

b- cząstka powstająca w wyniku reakcji jądrowej

Przykłady: (α, n); (α, p); (p, n)

Niektórym reakcjom towarzyszy emisja promieniowania γ (jądro wzbudzone emituje nadmiar energii w formie energii kwantu promieniowania). Zjawisko sztucznej promieniotwórczości zostało odkryte przez Irenę i Fryderyka Joliot. Napromieniowując cząstkami α jądra aluminium i boru stwierdzili emisję pozytonów (cząstek
). Zauważono, że emisja cząstek
nie zanika przy przerwaniu napromieniowywania, lecz maleje wykładniczo z upływem czasu zgodnie z prawem:

T = 2,5 min
;

T = 14 min
;

Reakcje termojądrowe - reakcje syntezy jąder atomowych

W czasie syntezy jąder lekkich pierwiastków wydziela się znaczna ilość energii. Energia przypadająca na jeden nukleon w czasie reakcji syntezy jest kilka razy większa niż przy podziale ciężkich jąder.

Przykłady reakcji syntezy:

lub

lub

Źródłem energii słonecznej są reakcje syntezy. Najistotniejszą jest reakcja przebiegająca w następujący sposób:

Zachodzącą etapami reakcję syntezy helu z wodoru można zapisać:

Reakcja ta zachodzi z wydzieleniem znacznej ilości energii. Energię tę „unoszą” produkty reakcji. Obliczmy tę energię.

Całkowita energia emitowana w ciągu 1s przez Słońce wynosi
. Stąd można obliczyć, ile aktów syntezy wodoru w hel musi zaistnieć, by uzyskać tę energię:

Liczba neutrin uzyskanych w tym procesie wynosi

. Neutrina te unoszą około 5% wytworzonej energii.

W opisanym procesie względny ubytek masy Słońca w czasie jego istnienia (5 mld lat) wynosi 0,03%.

W celu urzeczywistnienia reakcji syntezy trzeba pokonać siły kulombowskiego odpychania jednoimiennie naładowanych jąder. Np. by doprowadzić do syntezy jąder deuteru trzeba je zbliżyć na odległość
m.

Energia kinetyczna jądra deuteru, które mogłoby się zbliżyć na taką odległość do nieruchomego jądra deuteru musi być równa ok. 0,48 MeV.

Ponieważ średnia energia kinetyczna ruchu cieplnego


, zatem dla zrealizowanie reakcji syntezy należałoby ogrzać deuter do temperatury
K (stąd nazwa reakcji - reakcje termojądrowe).

Wiadomo (rozkład energii wg. Maxwella), że żądane energie można już uzyskać w temperaturze
K („ogon” rozkładu Maxwella) .

Temperatury takie uzyskiwane są w urządzeniach typu TOKAMAK (Instytut Plazmy w Princeton).

Sztuczna promieniotwórczość. Reakcje jądrowe. • Fizyka 2002 - 2003

5

---