Reakcje jądrowe - rozszczepienia i syntezy.

Reakcja jądrowa, występuje wówczas gdy na skutek oddziaływań jąder atomowych lub cząstek subatomowych, powstają produkty o innych liczbach masowych lub atomowych. Gdy struktura cząstek biorących udział w oddziaływaniu się nie zmienia, mówimy o zjawisku rozpraszania.

Reakcje jądrowe dzielimy na reakcje syntezy (gdy produkty mają większe liczby atomowe/masowe niż substraty; nie sumy liczb, te muszą się zgadzać po jednej i drugiej stronie równania) i rozpadu (gdy produkty mają mniejsze liczby atomowe/masowe). Rozszczepienie jądra polega na jego rozpadzie na lżejsze jądra.

Przykład rozszczepienia (IMHO) Litu 6:

Reakcje jądrowe mogą charakteryzować się dodatnim lub ujemnym bilansem energetycznym. Prostym sposobem na znalezienie zysku lub straty energii kinetycznej jest porównanie mas spoczynkowych substratów oraz produktów, oraz przeliczenie różnicy na energię za pomocą koncepcji równoważności masy i energii
(
). Zatem:

0.0238u masy spoczynkowej ubyło w wyniku reakcji, co przekłada się na 22.4 MeV energii spoczynkowej. Ponieważ wiemy, że energii nie da się "zniszczyć", możemy wywnioskować, że ubytek energii tego rodzaju, przełożył się na zysk energii innego rodzaju - energii kinetycznej w tym wypadku. W praktyce, zaskutkowałoby to wzrostem temperatury układu.

Równanie reakcji można zapisać jako:

Taki stan rzeczy możliwy jest dzięki energii potencjalnej sił jądrowych. Jeśli dwa nukleidy zbliżą się na wystarczająco bliską odległość - t.j. taką przy której, siły jądrowe przeważą nad siłami odpychania elektrostatycznego, jedno jądro "spadnie" na drugie i osiągnie stan równowagi o niższej energii potencjalnej. Możliwa jest również sytuacja odwrotna - na skutek "wzbudzenia" jądra atomowego (np poprzez bombardowanie cząstkami subatomowymi), jądro się "rozszerza" i siły elektrostatyczne przeważają nad jądrowymi.

Po lewej wizja artysty.

Energia potrzebna do pokonania sił jądrowych i rozseparowania nukleonów (a więc też energia kinetyczna jaką otrzymujemy przy ich połączeniu). nosi nazwę energii wiązania. Różnica energii wiązania produktów i substratów również pozwala wyznaczyć bilans energetyczny. Dla powyższej reakcji, przy danych energiach wiązania na nukleon, będzie to:

, czyli obliczony w ten sposób ubytek energii potencjalnej (a więc zysk energii kinetycznej), zgadza się z wynikiem, do którego doszliśmy z zasady równoważności masy i energii.

Na tej podstawie jesteśmy w stanie stwierdzić, które reakcje jądrowe będą egzoenergetyczne, a które endoenergetyczne. Graficznym przedstawieniem tych tendencji jest wykres jądrowej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon dla poznanych izotopów (po lewej):

Ponieważ energia wiązania osiąga maksimum dla jąder żelaza, oznacza to, w teorii, że reakcje jądrowe "dążące" do utworzenia tych izotopów będą generalnie egzoenergetyczne.

Nie dziwi zatem pospolitość tego pierwiastka we wszechświecie. Innymi słowy, reakcje syntezy będą generalnie egzoenergetyczne, tylko gdy substraty są lżejsze od żelaza, a gdy są cięższe - egzoenergetyczne będą reakcje rozszczepienia. Trzeba jednak pamiętać o "anomaliach" na tym wykresie i generalnym skomplikowaniu reakcji jądrowych.

Oddziaływanie promieniowania jądrowego i gamma z materią

Neutrony: Ze względu na niewielkie rozmiary i brak ładunku są w stanie przebyć bardzo duży dystans; nie jonizują materii przez którą przebiegają. Może dojść do zjawiska rozproszenia, lub reakcji jądrowej na skutek zderzenia z jądrami atomowymi substancji. Zależy to w dużej mierze od ich energii - reakcja jądrowa zajdzie tylko gdy nie będzie ani zbyt mała, ani zbyt duża (pocisk przebijający szybę). W ten sposób mogą wywoływać jonizację pośrednio, na skutek powodowania reakcji jądrowych. Jest to znaczące w procesie spowalniania neutronów, np. w reaktorze jądrowym, gdzie rolę odgrywa zarówno temperatura ośrodka, jak i energia neutronów.

Cząstki naładowane (Alfa, Beta): Ponieważ są to cząstki naładowane, dochodzi do procesu jonizacji - oderwania lub przyłączenia (patrz: energia jonizacji), ładunku elektrycznego do atomu. Skutki jonizacji mogą być wielorakie:

- zrywanie wiązań molekularnych (radioliza) i powstawanie silnie reaktywnych wolnych rodników (np. reakcje powstawania i niszczenia ozonu)

- Niszczenie struktury krystalicznej metali, skutkujące między innymi kruchością i powolną zmianą kształtu (pełzanie)

- przyspieszenie niektórych reakcji chemicznych (np. polimeryzacja, korozja), poprzez kontrybuowanie do osiągnięcia przezeń energii aktywacji. W praktyce, może się to wiązać np. z przyciemnianiem materiałów optycznych, śladami na kliszach fotograficznych itp.

- wzbudzanie atomów, objawiające się emisją fotonów (radioaktywny blask)

- zwiększanie przewodnictwa substancji, mogące prowadzić np. do niszczenia półprzewodników.

Powyższe czynniki mogą powodować istotne zmiany zarówno w działaniu organizmów żywych (rakotwórczość, oparzenia, choroba popromienna), jak i maszyn (niszczenie układów scalonych, układów optycznych, elementów konstrukcyjnych)

Poza jonizacją, może również dojść do absorbcji niektórych cząstek (głównie alfa) i związanych z tym reakcji jądrowych.

Promieniowanie gamma - stanowi wysokoenergetyczną formę promieniowania elektromagnetycznego, dlatego jego odziaływanie z materią jest podobne do odziaływania np. swiatła.

Do przykładów jego działania można zaliczyć:

- wewnętrzny efekt fotoelektryczny, czyli przenoszenie elektronów na wyższe powłoki atomowe (wzbudzanie atomów)

- rozpraszanie comptonowskie - zwiększenie długości fali promieniowania i zmiana kierunku jego rozchodzenia, na skutek zderzenia z elektronem

- efekty fotojądrowe - możliwość wywoływania reakcji jądrowych i tworzenia nowych cząstek, przy odpowiednio wysokiej wartości energii.

- Reakcja tworzenia par elektron-antyelektron - co ma związek z zasadą równoważności energii i masy (minimalna energia promieniowania gamma umożliwiająca zajście tego zjawiska to 1.02MeV, czyli enegia spoczynkowa dwóch elektronów (lub właśnie elektronu i antyelektronu).

Zasięg promieniowania.

Klasycznym wyrażeniem opisującym stratę energii na jednostkę drogi promieniowania jest wzór Bethego-Blocha (patrz: wikipedia). Jakościowo, można wywnioskować z niego następujące zależności:

Strata energii na jednostkę długości pokonaną w ośrodku:

- wzrasta wraz ze stosunkiem liczby atomowej do masowej ośrodka

- wzrasta wraz ze wzrostem jego gęstości

- maleje wraz ze wzrostem średniej energii jonizacji

- wzrasta wraz ze wzrostem ładunku cząstki (wprost proporcjonalna do kwadratu tegoż)

- maleje wraz ze wzrostem prędkości cząstki (odwrotnie proporcjonalna do kwadratu)

- nie zależy od masy cząstek promieniowania

Po lewej wykres zależności strat energii na jednostkę drogi w powietrzu od energii cząstki. Jak widać, z analizowanych cząstek najłatwiej zmniejszyć energię cząstki alfa, a najtrudniej elektronu (nie pokazane promieniowanie gamma, które zatrzymać jest jeszcze trudniej).

---