Reakcje jądrowe.

Wszystko co nas otacza zbudowane jest z atomów. Nie są one jednak najmniejszymi cząsteczkami tworzącymi wszechświat. Mniejsze od nich są protony neutrony i elektrony. Protony i neutrony stanowią tzw. jądro czyli centralną jego części. Elektrony natomiast krążą do o koła jądra i są rozmieszczone na powłokach elektronowych. Dlatego najczęściej atom
wyobraża się jako układ planetarny. W mojej pracy zajmę się omówieniem reakcji jądrowych, dlatego na wstępie warto opisać budowę jądra atomowego. Jego cechy charakterystyczne, typy występujących jąder atomowych oraz wielkości jakimi są opisywane w świecie nauki.

Jądro atomu.

Jądru atomu w stosunku do pozostałych części atomu z, których się składa jest bardzo mały. Jądra mają rozmiary rzędu
i
m, co stanowi około 1/100000 Jego średnica jest około 10.000 razy mniejsza od średnicy orbity elektronu. Mimo swoich niewielkich rozmiarów, jest w nim skoncentrowana niemalże cała masa atomu. Ustalono że jest to mniej więcej około 99,9% masy całego atomu. Istnienie masywnych jąder atomowych stanowiących tylko niewielką część objętości całego atomu zostało stwierdzone w 1911 roku przez E. Rutheforda i jego współpracowników. Rutheford bombardował złotą folie dodatnio naładowanymi cząsteczkami alfa. Badając rozkład kątowy promienia rozproszonego na folii doszedł do wniosku , że cały dodatni ładunek i masa atomu skupione są w bardzo niewielkiej objętości masowej, nazwanej później jądrem atomowym.

Nie znamy kształtu jądra, ale najczęściej przyjmuje się, że jest on kulisty. Jak już wcześniej wspomniałem jądro atomu składa się z neutronów i protonów. Liczbę protonów w jądrze oznacza się jako Z i jest to tzw. liczba atomowa lub liczba porządkowa jądra. Liczbę wszystkich neuklonów zawartych w jądrze atomu oznacza się jako A i jest zwana liczba masową jądra. Liczbę tę oblicza się ze wzoru
, gdzie N jest liczbą neutronów w jądrze. Jądro o liczbach Z, N oraz A oznacza się
, gdzie X oznacza symbol chemiczny pierwiastka odpowiadający liczbie atomowej Z. Często w oznaczeniach pomija się liczbę neutronów (
). Dzięki liczbą charakteryzującym jądro atomu można rozróżnić typy jąder atomowych . Jądra atomowe można podzielić na trwałe i nie trwałe. Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Większość jąder atomowych o liczbie atomowej od 1 (wodór) aż do 83 (bizmut) posiada trwałe izotopy. Cięższe pierwiastki zawsze są nietrwałe, jednak ich okresy półrozpadu są tak duże, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków jest posiadający liczbę atomową 94 pluton. Cięższe pierwiastki nie występują na Ziemi, jednak można je sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek. Najcięższym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie atomowej 118, o nazwie Ununoctium, który jest "ostatnim możliwym" gazem szlachetnym. Jądra z parzystą ilością neutronów i protonów (parzysto- parzyste) cechują się największą trwałością i można je odnaleźć na Ziemi w znacznych ilościach. Jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów (parzysto- nieparzyste) są już dużo mniej trwałe. Nieparzysta liczba protonów i neutronów powoduje nietrwałość jąder, choć od tej reguły są wyjątki np.: jądro wodoru. Liczby Z, N oraz A określające skład jądra nie charakteryzują go jeszcze w pełni.

Izotopy.

Izotopy to atomy o ściśle określonej liczbie protonów oraz neutronów. Na przykład jądro o takich samych Z, ale o różnych A, nazywamy izotopami (np. węgiel
i
). Izotopy danego pierwiastka (o określonej liczbie protonów), różnią się masą atomu i mają niemal identyczne własności chemiczne .Ze względu na różnicę mas atomowych izotopy różnią się od siebie niektórymi własnościami fizycznymi. Przy czym różnice te są tym większe, im większy jest rozrzut ich mas względem siebie. Różnice w masach atomowych izotopów powodują , że w formie czystej mają one inną gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji. Różnice te rozciągają się także na związki chemiczne o różnym składzie izotopowym. Izotopy można podzielić na trwałe i nie trwałe. Izotopy trwałe to takie, które nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków. Nietrwałe zwane promieniotwórczymi to takie, które ulęgają samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka.

Energia jąder atomowych.

W atomie wyróżniamy dwa rodzaje energii tj. energia stanu podstawowego oraz energia wzbudzenia stanu wzbudzonego. Oprócz tych energii istnieje jeszcze energia wiązania jądra atomowego. energie tą można powiązać z niedoborem masy. Przy obliczeniu masy jądra atomowego według wzoru

dojdziemy do wniosku iż występuje w tym przypadku tzw. niedobór masy, tzn. wartość masy uzyskanej po obliczeni za pomocą powyższego wzoru nie jest równa wartości odczytanej z tablicy Mendelejewa. Wartość obliczeniowa jest mniejsza od wartości oczekiwanej. Niedobór masy jest związany z energią wiązań , którą oblicza się z wzoru

.

Jak wiadomo jena jednostka atomowa jest równa 931 megaelektronowoltom. Jest to zatem energia wiązania czyli taka energia, która wydzieli się podczas łączenia neuklonów w jądra atomowe, lub energia którą należy dostarczy do jądra aby uległo ono podziałowi na nukleony (energie taka można nazwać energią wyrwania). Na podstawie energii wiązań można określić trwałość jądra poprzez porównanie mas (otrzymanej w drodze obliczeń i masy oczytanej z tablicy). Zatem, jeśli energia wyrwania cząsteczki jest większa od zera, to taka reakcja zazwyczaj zachodzi. Jeśli energia jest mniejsza od zera to reakcja nie zachodzi, a jądro jest trwałe. Tak więc ustalono że, dla średnich i ciężkich jąder energia wiązania jest wprost proporcjonalna do liczby nukleonów. Wzrost liczby nukleonów o jeden powoduje zwykle podniesienie energii o 7-8 MeV. Prawo to jest zachowane dla jąder w zakresie liczb masowych od 30 do 70 nukleonów. Potem następuje wyraźne odejście od tej zależności. Energie wiązania cięższych jąder są w efekcie mniejsze niżby to wynikało z liczby nukleonów. Gdy już znamy energie wiązań możemy naszkicować tzw. „najważniejszą krzywą świata”. Jest nam jeszcze do tego potrzebna energia właściwa, która jest po prostu niczym innym jak energią wiązania atomowego przypadającą na jeden nukleon i wyraża się ja następującym wzorem:

.

Podsumowując energie wiązania można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Poniżej w tabeli przedstawiam wartości energii wiązani dla kilku izotopów:

Izotopy	Energia wiązania MeV
		Całkowita	Na nukleon
	2,22	1,11
	8,47	2,83
	28,30	7,07
	92,20	7,68
	552	8,75
	1803	7,58

Gdy mam już wszystkie wartości można naszkicować ową krzywą .

Gdzie:

- ilość nukleonów w jądrze.

- energia wiązania.

- energia właściwa.

Izotopy w medycynie.

Izotopy znalazły szereg zastosowań w medycynie. Ściślej mówiąc są to izotopy promieniotwórcze oraz izotopy radioaktywne czyli tzw. radioizotopy. Warto wspomnieć także o tym, że Polacy sami mogą wytwarzać izotopy promieniotwórcze stosowane w medycynie. Pozwala na to reaktor atomowy Maria, który jest zlokalizowany w miejscowości o nazwie świerk pod Warszawą.

Radioizotopy.

Radioizotopy jako źródło promieniowania gamma są wykorzystywane do leczenia raka. stosuje się je tutaj w formie tzw. bomb naświetleniowych (bomb kobaltowych), czyli dużych próbek radioizotopu, których emitując z zewnątrz promieniowanie zabijają komórki rakowe. Najczęściej w tym celu używa się promieniowanie izotopu kobaltu ⁶⁰Co o czasie połowicznego rozpadu 5,26 lat lub bomby cezowe wykorzystujące izotop ¹³⁷Cs o czasie połowicznego rozpadu 30 lat. Taka metoda pozwala na skupienie wiązki promieniotwórczej w określonych miejscach ciała bez niszczenia warstw powierzchniowych ludzkiego ciała. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu akceleratorów cząsteczek. Rozpędzają one cząsteczki elementarne naładowane elektryczni, bądź jony do prędkości podświetlnych. Tak wytworzoną wiązkę promieniowania można skupić na niewielkim fragmencie ciała. Duże próbki radioizotopu mogą być wykorzystywane także w formie chemioterapii radiacyjnej. Polega ona na podawaniu związków zawierających dużą ilość radioizotopu, które same mają tendencje do wędrowania w organizmie do chorego miejsca. Radio izotopy są wykorzystywane ponad to do szybkiego i bardzo skutecznego sterylizowania sprzętu medycznego. Jest to możliwe dzięki pewnym szczególnym właściwością silnego promieniowania gamma. Bowiem są one zabójcze dla większości bakterii i grzybów chorobotwórczych i gnilnych.

Izotopy promieniotwórcze.

Izotopy promieniotwórcze znalazły zastosowanie w diagnostyce medycznej. Diagnostyka polega na wprowadzeniu substancji promieniotwórczej do tkanek i narządów danego organizmu, a następnie na rejestrowaniu promieniowania za pomocą detektorów znajdujących się poza obiektem badanym. W diagnostyce do znakowania bardzo często stosuje się izotopu wodoru ³H, w postaci się wody trytowej T₂O. Zgromadzenie substancji promieniotwórczej w tkance lub danym narządzie oraz jej rozkład pozwalają na wysnucie wniosków diagnostycznych. Obecnie stosuje się około 200 różnych związków, znakowanymi izotopami promieniotwórczymi, które są dobierane w zależności od tego jaki narząd będzie badany i jakich oczekuje się rezultatów. Metodami izotopowymi można badać: morfologię nerek, czynności miąższu nerkowego, rozdział krwi w łożysku naczyniowym. Stosuje się także w diagnostyce układów krążenia. Dzięki rozwojowi nauki w dziedzinie analizy komputerowej oraz metod pomiarowych, współczesne metody izotopowe pozwalają na badanie ukrwienia mięśnia sercowego oraz ocenę parametrów krążenia. W badaniu układu kostnego stosuje się związki fosfonianowe. Badania te maja na celu wykrycie ogniska nowotworowego w przypadku pierwotnego nowotworu kości, czy przerzutów nowotworowych oraz rozległych zmian w celu określenia wskazań ewentualnej ingerencji chirurgicznej. Najpopularniejsze metody diagnostyki medycznej oparte na technice jądrowej to.

Tomografia Komputerowa.

• tomografia komputerowa osiowa CAT.

• tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości HRCT.

• spiralna tomografia komputerowa sCT.

Magnetyczny rezonans jądrowy. Spektroskopia NMR.

Spektroskopia ta polega na wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących się w zewnętrznym polu magnetycznym poprzez szybkie zmiany pola magnetycznego, a następnie rejestrację promieniowania elektromagnetycznego powstającego na skutek zjawisk relaksacji, gdzie przez relaksację rozumiemy powrót układu spinów jądrowych do stanu równowagi termodynamicznej. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ. W tym celu do organizmy wprowadza się próbki które muszą się rozpuszczać w deuterze. Czyli w takim rozpuszczalniku w którym wszystkie lub możliwie wiele protonów zostało zastąpionych deuteronem. Zabieg ten wykonuje się z dwóch powodów. Pierwszy, to konieczność rozcieńczenia protonów przy wykonywaniu widm 1-H. Drugi, to wykorzystanie sygnału deuteru (deuteron też jest magnetycznie czynnym jądrem) do stabilizacji częstotliwości podstawowej spektrometru NMR.

Pozytonowa tomografia emisyjna PET.

W metodzie zamiast prześwietlania pacjentowi podaje się preparat zawierający krótko żyjące izotopy promieniotwórcze rozpadające się z emisją pozytonów, ich anihilacja wywołuje promieniowanie gamma, które jest rejestrowane. Na tej podstawie można obserwować metabolizm podanego pierwiastka. W badaniu PET wykorzystuje się fakt, że określonym zmianom chorobowym towarzyszy podwyższony metabolizm niektórych związków chemicznych, np. cukrów. Ponieważ energia w organizmie uzyskiwana jest głównie poprzez spalanie cukrów, to w badaniach wykorzystuje się deoxyglukozę znakowaną izotopem F-18 (fluor). Najczęściej stosowanym preparatem jest F18-FDG.

Zagrożenie jakie niesie ze sobą promieniowanie.

Wszystkie powyższe metody pozwalają na szybki i skuteczne a co za tym idzie precyzyjne zdiagnozowanie wielu poważnych uszkodzeń lub chorób narządów wewnętrznych. Dzięki medycynie diagnostycznej i nowoczesnemu sprzętowi możemy obserwować ludzkie ciało od wewnątrz bez niebezpiecznych i inwazyjnych zabiegów chirurgicznych. Co daje lekarzom szczegółowy i trójwymiarowy obraz, co najważniejsze pracującego ludzkiego ciała. Kto wie może kiedyś dzięki takim obserwacją naukowcy zrozumieją czym jest tak naprawdę inteligencja. Obserwując prace ludzkiego mózgu podczas wysiłku intelektualnego.

Deuter.

Deuter (D lub ²₁H), izotop wodoru o liczbie masowej 2 (jądro deuteru składa się z protonu i neutronu). Występuje w wodzie naturalnej w ilości 1,6·10^-2%.

Podczas elektrolizy wody następuje nagromadzenie w fazie ciekłej ciężkiej wody, która trudniej ulega rozkładowi. Z tego względu deuter otrzymywany jest głównie poprzez elektrolizę roztworów uprzednio poddanych już elektrolizie.

Tryt.

Tryt, ³H oznaczany również symbolem T, izotop wodoru, bezbarwny gaz występujący w cząsteczkach dwuatomowych. Promieniotwórczy, wysyła promieniowanie β^- o małej energii przechodząc w izotop helu ³He, okres półrozpadu T_1/2=12,3 lat. W przyrodzie powstaje w reakcjach neutronów z azotem ¹⁴N. Został także uwolniony do środowiska w wyniku prób z bombami wodorowymi. Może powstać w wyniku bombardowania litu ⁶Li strumieniem neutronów lub berylu ⁹Be strumieniem deuteronów.

Stosowany do badania mechanizmu przegrupowań związków organicznych i reaktywności chemicznej cząsteczek. Do znakowania związków chemicznych używany jest tryt gazowy, woda trytowa T₂O, trytek uranu.

Czas życia izotopu promieniotwórczego.

Czas połowicznego rozpadu to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder atomowych pierwiastka (promieniotwórczego), a zatem i aktywność promieniotwórcza, zmniejsza się o połowę.

Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.). Czas połowicznego zaniku jest pojęciem wykorzystywanym dla każdego rodzaju rozpadu promieniotwórczego.

Czasami ze względów praktycznych i tylko w technice przyjmuje się w przybliżeniu, że całkowity rozpad danego radionuklidu następuje po czasie równym pięciu czasom połowicznego zaniku (tj., gdy aktywność spadnie do poziomu 1/32 aktywności początkowej).

Tak więc wszystkie rozpady jakie zachodzą w przyrodzie można opisać następującym wzorem:

Średni czas życia można natomiast opisać wzorem:

Reakcje jądrowe.

Reakcja jądrowa to taka reakcja w czasie której bombardujemy jądro atomowe dokładniej mówiąc tzw. tarcz atomowych innymi jądrami lub cząsteczkami elementarnymi o dużej energii. Podczas takich zderzeń jądro i cząsteczka „bombardująca” mogą przekazywać sobie energie, pęd, ładunek elektryczny itp.. Przy czym obowiązują tu zasady zachowania. W wyniku tych zderzeń otrzymujemy powstają jądra (wtórne) i cząsteczki elementarne. Rekcje jądrowe rządzą się kilkoma prostymi prawami:

• Zachowanie ładunku elektrycznego. Całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa całkowitej liczbie protonów po reakcji.

• Zachowanie liczby nukleonów (protonów i neutronów). Całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same.

• Zachowanie masy-energii. Dla danego układu izolowanego podlegającego przemianie jądrowej stała jest suma energii (masa związana jest z energią przez równanie Einsteina E=mc²).

• Zachowanie pędu.

• Zachowanie momentu pędu.

w 1919 roku Ernest Rutherford dokonał pierwszej sztucznej przemiany jądrowej. Naukowiec bombardował jądra ¹⁴₇N cząsteczkami alfa o energii 7,68MeV. W czasie tego doświadczenia zaszła reakcja jądrowa, w której otrzymał protony i jądra ¹⁷₈O:

Reakcje tą można zapisać także w inny sposób:

Podział reakcji.

Reakcje jądrowe można podzielić w zależności od wydzielanego promieniowania oraz ze względu na ich wpływ na materie.

Cechy promieniowania :

• pierwiastki promieniotwórcze świecą.

• działa bakteriobójczo.

• jonizuje otoczenie.

• powoduje mutacje komórek.

• powoduje reakcję chemiczną (zaciemniają kliszę).

Ponad to reakcje jądrowe dzielimy na reakcje endotermiczne i egzotermiczne w zależności od tego czy energia jest pochłaniana podczas procesu czy jest tez emitowana. W przypadku reakcji endo- i egzotermicznych energia ma postać ciepła. Następnie energie z jednostek ciepła można przeliczyć na eV.

Reakcja egzotermiczna.

Reakcja egzotermiczna jest reakcja znacznie „prostszą” niż endotermiczna ponieważ podczas przebiegu reakcji wydziela się nadmiar energii. Dzieje się tak dlatego ze masa spoczynkowa produktów końcowych jest mniejsza od Q masy spoczynkowej substratów. Wtedy energia spoczynkowa produktów reakcji jest mniejsza od energii substratów. Wydzieli się wtedy pewna energia, którą można opisać wzorem.

Jak widać jest to różnica masy cząsteczek po reakcji i przed reakcją. Przykładową reakcją może być:

Energia jest odbierana poprzez emisje n oraz odrzut
i jest równa
. Reakcje egzotermiczne zachodzą samorzutnie.

Reakcja endotermiczna.

Reakcja nosi nazwę endotermicznej, jeżeli energia spoczynkowa produktów końcowych jest większa od energii spoczynkowej produktów początkowych. W wyniku reakcji endotermicznej masa spoczynkowa rośnie.

Dla takiej reakcji energia jest równa
. Czyli nie osiąga energii progowej niezbędnej do zajścia reakcji.

Takie reakcje nie zachodzą samorzutnie aby doszło do takiej reakcji trzeba jej dostarczyć energii z zewnątrz. Dla przeprowadzenia takiej reakcji nie wystarczy energia równa Q i jest to tzw. energia progowa. Wartość energii progowej wyznacza się z wzoru:

Przykład reakcji endotermicznej.

Rozpad alfa.

W wyniku tego rozpadu emitowane są cząstki alfa, czyli podwójnie zjonizowane (pozbawione elektronów) atomy helu. Jądro traci zatem dwa protony i dwa neutrony, a całą reakcję można zapisać w następujący sposób:

gdzie X i Y są symbolami pierwiastków, A to liczba masowa, zaś Z to liczba atomowa. Jak widać, emitując cząstkę alfa atom zmienia się w atom innego pierwiastka, na dodatek lżejszy.

Promieniowanie alfa.

Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Gdy cząstka alfa przechwyci dwa elektrony, staje się atomem helu. Przez to, że są ciężkie, cząstki alfa mają małe prędkości nawet przy stosunkowo dużych energiach. Ponadto dobrze oddziałująa z materią jonizując ją, bo mają ładunek +2e, zatem ich zasięg oddziaływania nie jest duży i w powietrzu jest rzędu 10 cm. Jako skuteczna osłona przeciwko promieniowaniu alfa może zatem służyć zwykła kartka papieru czy odpowiednio gruba warstwa powietrza, a nawet zewnętrzna warstwa ludzkiej skóry.

Zatem można zdefiniować własności promieniowania
:

• jest to strumień cząstek +.

• poruszają się z różnymi prędkościami dużo mniejszymi od prędkości światła.

• mają dużą bezwładność.

• oddziałuje z polem elektrycznym i magnetycznym tak jak ładunek +.

• ze wszystkich rodzajów promieniowania jest najmniej przenikliwe i ma najkrótszy zasięg.

• posiadają cechy promieniowania.

Rozpad beta +/-.

Tutaj emitowane są dwa rodzaje cząstek: ujemne i dodatnie, będące w istocie elektronami i pozytronami (antyelektronami). Reakcja może zatem przebiegać według jednego z dwóch schematów:

Oprócz cząstek beta emitowane są także antyneutrino lub neutrino elektronowe. Mają one jednak bardzo małe znaczenie ponieważ neutrina mogą przelecieć przez całą Ziemię na wylot nie oddziaływa wszy ani razu z żadnym napotkanym atomem.

Promieniowanie beta.

Są to po prostu elektrony, rzadziej pozytrony. Jako cząstki o bardzo małej masie są wyjątkowo ruchliwe, dlatego rozprzestrzeniają się szybko, ale też szybko oddają swoją energię jonizując napotkany materiał, przez co łatwo je powstrzymać. W praktyce wystarczy nawet blacha aluminiowa, by je wyeliminować.

Zatem można zdefiniować własności promieniowania
oraz
.

• cząstka
  to elektron a cząstka
  pozytron;

• jest to strumień cząstek - lub +.

• cząstki
  poruszają się z prędkościami bliskimi prędkościami światła;

• są bardziej przenikliwe niż cząstki
  .

• oddziałują z polem elektrycznym i magnetycznym tak jak ładunek ujemny bądź dodatni.

• mają mniejszą bezwładność od cząstek
  .

• posiadają cechy promieniowania.

Rozpad gamma.

W odróżnieniu od dwóch poprzednich rozpadów tu emitowane cząstki nie są budulcami materii, a falami elektromagnetycznymi, tak jak fale radiowe czy światło. Wyróżnia je tylko duża częstotliwość (czyli bardzo mała długość fali), a co za tym idzie - duża energia. Jądro, które je emituje, nie ulega właściwie żadnej znaczącej przemianie oprócz tej, że traci wiele energii. Jest to możliwe oczywiście tylko wtedy, gdy jądro te miało wcześniej tą energię, tzn. było w stanie wzbudzonym, oznaczanym przez dodanie gwiazdki ("*").

Promieniowanie gamma.

Promieniowanie gamma ma inną naturę niż pozostałe rodzaje. Kwanty gamma są falami elektromagnetycznymi i poruszają się z prędkością światła, więc ich działanie można w wielu przypadkach uznać za natychmiastowe. Wyjątkiem od tego są sytuacje, gdy ośrodek, w którym przemieszcza się to promieniowanie, jest dla niego nieprzezroczysty. Zazwyczaj chodzi o jonizację atomów lub inne przekazywanie energii przy zderzeniach z cząstkami, ale mogą to też być kreacje pary elektron-pozytron lub nawet reakcje jądrowe (jak w przypadku berylu). Generalnie jednak promieniowanie gamma jest dużo bardziej przenikliwe niż alfa i beta, niemniej można się przed nimi uchronić. Gruba warstwa ołowiu lub jeszcze grubsza betonu eliminuje zagrożenie, ale trzeba uważać, gdyż rozproszone promieniowanie zmienia kierunek i może razić z innej strony niż ta, gdzie znajduje się jego źródło.

Zatem można zdefiniować własności promieniowania
.

• jest to strumień kwantów promieniowania elektromagnetycznego o bardzo małej długości fali (rzędu 10-14 m);

• najbardziej przenikliwe ze wszystkich rodzajów promieniowania (aby zatrzymać trzeba 0,5 m ołowiu);

• nie niesie ze sobą ładunki i nie oddziałuje z polem elektrycznym ani magnetycznym;

• posiada cechy promieniowania.

Reakcja Rozszczepienia.

Rodzaj rozpadu promieniotwórczego wzbudzonego jądra atomowego ciężkich pierwiastków na ogół na dwa, czasem na więcej fragmentów, również będących jądrami atomowymi. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów i kwantów gamma oraz wydzielenie znacznej ilości energii .Reakcja rozszczepienia zachodzi dla danego pierwiastka w zależności od parametru Z²/A. Dla wartości mniejszych od 17 rozszczepienie w ogóle nie występuje, dla większych od 49 następuje zawsze samorzutnie. Dla wartości pośrednich do jego inicjacji potrzebny jest zazwyczaj wychwyt neutronu o odpowiedniej energii przez rozszczepiane jądro. Ponieważ powstające jądra mogą należeć do bardzo dużej grupy pierwiastków, brak jest jednego uniwersalnego wzoru opisującego wszystkie niuanse tej reakcji.

Typową reakcją rozszczepienia jest rozszczepienie ²³⁵U :

Reakcja syntezy.

Inaczej zwana reakcją termojądrowa bądź fuzja jądrowa. To proces przeciwny do rozszczepienia, tutaj z dwóch lekkich jąder (najczęściej izotopów H lub He) po ich zderzeniu powstają jądra cięższe, możliwa też jest emisja neutronów (i cząstek alfa, przy czym tutaj wygodniej traktować je jako produkty reakcji - jądra helu). W wyniku zderzeń zostaje uwolniona duża ilość energii. Większość energii wydzielonej w wyniku reakcji jako energia kinetyczna produktów i promieniowanie gamma, zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną.

Synteza zachodzi wśród pierwiastków, których liczba masowa A<60. Synteza zachodzi w wysokiej temperaturze. Ponieważ to dzięki niej jądra mają wysoką energię która jest nie zbędna do pokonania odpychania elektrostatycznego które uniemożliwia zainicjowanie reakcji syntezy.

Przykładem syntezy jest reakcja zachodząca w Słońcu :

jest najbardziej energetyczny cykl.

anihilacja.

Reakcja łańcuchowa.

Jeśli przynajmniej jeden z neutronów uwolnionych w reakcji rozszczepienia trafi w jądro rozszczepialne, być może spowoduje zajście następnej reakcji, w której znów wydzielą się neutrony mogące wywołać następne rozszczepienia itd. Stan taki nosi nazwę reakcji łańcuchowej. Podtrzymuje się ona samorzutnie aż do wyczerpania się zapasów paliwa, czyli jąder rozszczepialnych, lub aż warunki przestaną być sprzyjające temu procesowi. By mógł on zajść potrzebne jest bowiem spełnienie całego szeregu warunków pozwalających neutronom "dożyć" do następnego rozszczepienia. Mogą one zostać rozproszone lub pozbawione niezbędnej energii w zderzeniach z atomami albo wychwycone przez jakieś inne, nierozszczepialne jądra i wtedy reakcja łańcuchowa jest zablokowana. Może też zdarzyć się tak, że średnio więcej niż jeden neutron z jednego rozpadu wywoła następną reakcję. Wtedy ilość rozszczepień będzie rosnąć wykładniczo i może być to proces bardzo szybki, wręcz błyskawiczny. Kluczowym pojęciem przydatnym do opisu tych zjawisk okazuje się być średnia droga swobodna neutronu w materiale i z niej wynika pojęcie masy krytycznej Część neutronów (poniżej 1%) nie jest emitowana bezpośrednio w czasie rozszczepienia, tylko wskutek rozpadów niektórych jąder powstałych przy rozszczepieniu. Rozpady tych nietrwałych jąder następują po jakimś czasie i dlatego neutrony takie nazywa się opóźnionymi. To dzięki nim możemy kontrolować przebieg reakcji tak aby nie wymknęła się spod kontroli.

Wybuch jądrowy.

Wybuch jądrowy, gwałtowne wydzielenie energii jądrowej zachodzące na skutek niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich (broń jądrowa). W tzw. broni termojądrowej siła wybuchu jądrowego jest zwielokrotniona przez doprowadzenie do syntezy jądrowej jąder pierwiastków lekkich (np. deuteru i trytu). Aby lepiej zrozumieć naturę wybuchu należy opisać reakcje jądrowe i materiały stosowane w tego typu reakcjach. Należy zatem opisać reakcje syntezy, rozszczepienia, łańcuchową stosowane w reaktorach jądrowych lub bombach atomowych. Ważnym pojęciem o którym należy wspomnieć jest pojęcie masy krytycznej.

Rozszczepienie.

Podstawowymi reakcjami wykorzystywanymi w eksplozjach jądrowych są reakcje rozszczepienia uranu lub plutonu, a konkretniej ich izotopów ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U oraz ²³⁹Pu. Uran jest pierwiastkiem występującym w naturze w stanie ²³⁸U (99,3%) i ²³⁵U (0,7%). Uran-233 oraz pluton-239 trzeba produkować sztucznie w reaktorach. Do zajścia rozszczepienia w każdym przypadku niezbędne jest wchłonięcie neutronu przez jądro, przy czym dla ²³⁸U wymagane jest jeszcze dostarczenie energii ok. 1 MeV, najczęściej w postaci energii kinetycznej owego neutronu. W skutek rozpadu powstają dwa nowe jądra, które oczywiście zajmują więcej miejsca niż pierwotne, czyli zwiększa się objętość zajmowana przez materię. Powstające jądra są zwykle w stanach wzbudzonych i po jakimś czasie emitują fotony gamma, choć mogą także dalej rozpadać się przez rozszczepienie (emitują wtedy tzw. neutrony opóźnione) lub rozpady alfa i beta. W ten sposób wydzielana jest duża ilość energii. Ale najciekawsze jest to, że jednocześnie następuje emisja 2 lub 3 nowych neutronów, w zależności od tego, jakie pierwiastki powstały. Te nowe neutrony mogą stać się zarzewiem następnych reakcji rozszczepienia, o ile zajdą odpowiednie warunki. W ten sposób powstaje reakcja łańcuchowa.

Reakcja łańcuchowa.

Jeśli przynajmniej jeden z neutronów uwolnionych w reakcji rozszczepienia trafi w jądro rozszczepialne, być może spowoduje zajście następnej reakcji, w której znów wydzielą się neutrony mogące wywołać następne rozszczepienia itd. Stan taki nosi nazwę reakcji łańcuchowej. Podtrzymuje się ona samorzutnie aż do wyczerpania się zapasów paliwa, czyli jąder rozszczepialnych, lub aż warunki przestaną być sprzyjające temu procesowi. By mógł on zajść potrzebne jest bowiem spełnienie całego szeregu warunków pozwalających neutronom "dożyć" do następnego rozszczepienia. Mogą one zostać rozproszone lub pozbawione niezbędnej energii w zderzeniach z atomami albo wychwycone przez jakieś inne, nierozszczepialne jądra i wtedy reakcja łańcuchowa jest zablokowana. Może też zdarzyć się tak, że średnio więcej niż jeden neutron z jednego rozpadu wywoła następną reakcję. Wtedy ilość rozszczepień będzie rosnąć wykładniczo i może być to proces bardzo szybki, wręcz błyskawiczny.

Masa krytyczna.

Okazuje się, że jeśli zbierze się w jednym miejscu w postaci kuli odpowiednią ilość materiału rozszczepialnego, to dla pewnej charakterystycznej dla każdego materiału masy osiągniemy stan opisany powyżej, czyli reakcji, która się sama podtrzymuje. Wytłumaczenie tego zjawiska może być następujące: ruch neutronu od zderzenia do zderzenia, w których zmienia on swój kierunek, ma średnią długość zwaną średnią drogą swobodną. Im większa jest objętość, w jakiej poruszają się neutrony, tym więcej jest zderzeń i tym dłużej neutrony w nim przebywają, a im dłużej tam przebywają, tym pewniej prędzej czy później trafią na jądro rozszczepialne i wywołają reakcję. Natomiast jeśli objętość jest zbyt mała, to neutrony uciekają poza materiał. Liczba neutronów, które mogą uciec, jest proporcjonalna do powierzchni zewnętrznej tego materiału. Ponieważ w przypadku kuli objętość wynosi V=⁴/₃R³, a jej powierzchnia S=4R², gdy będziemy zwiększać promień kuli R jej objętość będzie rosła szybciej niż powierzchnia. Zatem coraz więcej neutronów będzie powodować następne reakcje, a coraz mniej uciekać poza kulę. Dla pewnej wartości promienia osiągniemy wreszcie warunek powstania reakcji łańcuchowej. Masa materiału rozszczepialnego, który będzie wtedy znajdował się w tej kuli nazywa się właśnie masą krytyczną.

Ściśnięcie do małej objętości ma także swoją drugą zaletę. Neutrony poruszają się z ograniczoną prędkością zależną od ich energii. Oznacza to, że im większą drogę muszą przebyć przed wywołaniem następnego rozszczepienia, tym dłużej to trwa. Natomiast jeśli objętość jest mała, odległości są krótsze i reakcja zachodzi szybciej, co w przypadku konstrukcji bomb atomowych jest bardzo ważnym aspektem.

Synteza.

Reakcjom syntezy ulegają tylko izotopy lekkich jąder i możliwych reakcji jest znacznie mniej niż przy rozszczepieniu. Warunkiem ich zajścia jest bardo wysoka temperatura, przekraczająca nieraz temperaturę panującą we wnętrzu Słońca (czyli dziesiątki milionów kelwinów). Takie temperatury osiągane są także podczas eksplozji nuklearnych bazujących na rozszczepieniu. Najważniejsze z reakcji syntezy wykorzystywane w broni termojądrowej to:

T + T -> ⁴He + 2n + 11 MeV

D + T -> ⁴He + n + 17,6 MeV

D + D -> ³He + n + 3,27 MeV (50%)

D + D -> T + p + 4,03 MeV (50%)

³He + D -> ⁴He + p + 18,4 MeV

Obie reakcje łączenia dwóch jąder deuteru przebiegają z takim samym prawdopodobieństwem, co zaznaczono w nawiasach obok reakcji. Natomiast względne wydajności wszystkich tych reakcji zależą od temperatury. Dla niższych najczęściej zachodzącą będzie reakcja pierwsza i druga, dla wyższych - ostatnia. Dlatego często do zainicjowania reakcji termojądrowych używa się mieszaniny deuteru i trytu. Tryt jest jednak drogi w produkcji (ok. 80 razy droższy niż Pu), a utrzymywanie mieszanki D i T pod ciśnieniem lub w stanie ciekłym jest niebezpieczne i kosztowne. Dlatego we współczesnej broni termojądrowej korzysta się zazwyczaj z deuterku litu, co czyni ważnymi jeszcze dwie dodatkowe reakcje nie będące reakcjami syntezy, ale w wyniku których powstaje dodatkowe paliwo do nich:

⁶Li + n -> T + ⁴He + 4,78 MeV

⁷Li + n -> T + ⁴He + n + 2,47 MeV

a także reakcje jądrowe z udziałem litu, w których wydziela się znaczna energia:

⁶Li + D -> 2⁴He + 22,4 MeV

⁷Li + D -> 2⁴He + n + 15 MeV

Dla porównania reakcji syntezy z reakcjami rozszczepienia można powiedzieć, że w syntezie wyzwolona energia przypadająca na jeden nukleon jest kilka razy większa, np. dla łączenia deuteru z trytem wynosi ok. 3,5 MeV.

Energia wybuchu.

Energia uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach (np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla . Tak więc energia wybuchu jest równa energii wiązania. Energia, która towarzyszy przemianom jądrowym. Uwalniana podczas rozszczepienia jądra atomu jest ok. milion razy większa niż energia chemiczna. W sposób kontrolowany jest wykorzystywana w elektrowniach jądrowych oraz urządzeniach napędowych jednostek pływających, gdzie jest zamieniana w ciepło służące do wytwarzania energii elektrycznej lub mechanicznej. Niszczące działanie wykorzystywane jest w broni jądrowej, tj. bombie atomowej i bombie termojądrowej.

Ernest Rutheford

Deuter
-tryt
reakcja fuzji jądra deuteru i trytu łączą się i powstaje jądro helu oraz neutron.

Obrazowe przedstawienie pojęcia masy krytycznej.

---