Јадрена реакција

Јадрена реакција — во јадрената физика и јадрената хемија, семантички се смета за процес во кој две јадра, или јадрото на атомот и субатомска честичка (како протон, неутрон, или високоенергетски електрони) надвор од атомот, се судираат за да произведат еден или повеќе нуклиди кои се различни од нуклидите кои го почнале процесот. На тој начин, јадрената реакција мора да предизвика трансформација на најмалку еден нуклид во друг. Ако јадрото заемодејствува со друго јадро или честичка и потоа тие се разделат без да се промени природата на ниеден нуклид, процесот едноставно се означува како вид на јадрено расејување, наместо јадрена реакција.

Во принцип, реакцијата може да вклучи повеќе од две честички кои се судираат, но бидејќи веројатноста од три или повеќе јадра да се сретнат во исто време на исто место, е многу помала од онаа за две јадра, како настан е исклучително ретка (види троен алфа-процес на пример во непосредна близина на јадрена реакција со три тела). „Јадрена реакција“ е израз кој подразбира предизвикани промени во нуклиди, и на тој начин не се однесува на кој било тип на радиоактивно распаѓање (која по дефиниција е спонтан процес).

Природните јадрени реакции што се јавуваат во земодејството помеѓу космичките зраци и материјата, но јадрените реакции можат да бидат и вештачки искористени за да се добие јадрена енергија, со прилагодлива стапка, по потреба. Можеби најзначајните јадрени реакции се јадрените верижни реакции во цепните материјали кои создаваат поттикнато јадрено цепење, како и различни јадреносоединувачки реакции на лесни елементи, кои го овозможуваат производството на енергија во Сонцето и ѕвездите. И двата типа реакции се искористени кај јадрените оружја.

Обележување

Јадрената реакција може да биде прикажана во облик сличен на хемиските равенки, за која непроменливата маса мора да е во рамнотежа на двете страни од равенката, и во која трансформациите на честичките мора да следат одредени запазувачки закони, како што се зачувување на полнежот и барионскиот број (вкупен атомски масен број). Еве еден пример за ова обележување:

{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ || ||+ ||?
|}
За да горната равенка биде израмнета по маса, полнеж и масен број, второто јадро од десно мора да има атомски број 2 и масен број 4; значи тоа е исто така хелиум-4. Значи комплетната равенка гласи:
:{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ || ||+ ||
|}
или поедноставно:
{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ ||2 
|}

Наместо користење на целосната равенка според примерот горе, во многу ситуации се користи скратено обележување за опишување на јадрената реакција. Овој стил на облик A(b,c)D е исто на A + b го дава c + D. Заедничките лесни честички честопати се скратени со овој запис, обично p за протон, n за неутрон, d за деутериум, α претставува алфа-честичка или хелиум-4, β за бета-честички или електрон, γ за гама фотон, итн. Горната реакција би била запишана како Li-6(d,α)α.The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in StarsR. J. D. Tilley Understanding solids: the science of materials, John Wiley and Sons, 2004, ISBN 0-470-85275-5, p. 495

Историја
Во 1917 година, Ернест Радерфорд бил во можност да оствари трансмутација на азотот во кислород на Манчестерскиот универзитет, употребувајќи алфа-честички насочени кон азотот. 14N + α → 17O + p.  Ова било првата набљудувана предизвикана јадрена реакција, а тоа е, реакција во која честичките од едно распаѓање се користат за да се трансформираат друго атомско јадро. Конечно, во 1932 година на Кембричкиот универзитет, била постигната права вештачка јадрена реакција и јадрена трансмутација од страна на колегите на Радерфорд, Џон Кокрофт и Ернест Волтон, каде што се користат вештачки забрзани протони насочени кон литиум-7, за да се подели јадрото на две алфа-честички. Подвигот е популарно познат како „поделба на атомот“, иако тоа не беше современо јадреноцепна реакција која подоцна била забележана во тешките елементи, од страна на германскиот научник Ото Хан и Фриц Штрасман во 1938 година.

Зачувување на енергија
Кинетичка енергија може да биде ослободена во текот на реакцијата (егзотермна реакција) или кинетичката енергија можеби ќе треба да биде обезбедена за реакцијата да се одржи (ендотермна реакција). Ова може да се пресмета според табелата со многу прецизни маси во мирување,a table of atomic masses како што следува: во согласност со референтните табели,  јадрото има релативна атомска маса од 6,015 единица за атомски маси (скратено u), на двутериум има 2,014 u, и јадрото на хелиум-4 има 4,0026 u така:
 Вкупната маса на мирување од левата страна = 6,015 + 2,014 = 8,029 u
 Вкупната маса на мирување од десната страна = 2 × 4,0026 = 8,0052 u
 Масата која недостасува во мирување = 8,029 – 8,0052 = 0,0238 u.
Во јадрена реакција, вкупната (релативистички) енергија е зачувана. „Отсутната“ маса во мирување мора повторно да се појави како кинетичка енергија ослободена при реакција изворот е енергијата на сврзување. Користејќи ја Ајнштајновата формула за еднаквоста на масата и енергија E = mc², може да се утврди износот на ослободената енергија. Прво ни е потребно енергијата да е еквивалента на една единица атомска маса:

1 u c² = (1,66054 × 10−27 кг) × (2,99792 × 108 m/s)² 
= 1,49242 × 10−10 кг (m/s)² = 1,49242 × 10−10 J (Џул)
× (1 MeV / 1.60218 × 10−13 J)
= 931,49 MeV,
па 1 u c² = 931,49 MeV.

Оттука, ослободената енергија е 0,0238 × 931 MeV = 22,2 MeV.

Изразено поинаку: масата е намалена за 0,3%, што одговара на 0,3% од 90 PJ/kg е 270 TJ/kg.

Ова е голема количина на енергија за јадрената реакција; износот е толку висок,бидејќи енергијата на сврзување по нуклеон на јадрото хелиум-4 е невобичаено висока, бидејќи  јадрото на He-4 е „двојно магично“. (  јадротоHe-4 е невообичаено стабилно и цврсто сврзано оттука атомот на хелиум е интерен: секој пар на протони и неутрони во He-4 и пополнува целосно 1s јадрените орбитали во иста насока како парот на електрони на атомот на хелиумот ги пополнуваат 1s електронските орбитали). Следствено, алфа-честичките се појавуваат често на десната страна на јадрените реакции.

Ослободената енергија на јадрената реакција може да се појави претежно на еден од триве начини:
 кинетичка енергија на добиените честички
 оддавање на многу високоенергетски фотони, наречени гама-зраци
 некоја енергија може да остане во јадрото, како метастабилно  енергетско ниво.

Кога добиеното јадро е метастабилно, тоа се означува со поставување на астериск („*“) веднаш до атомскиот број. Оваа енергија евентуално е ослободена преку јадреното распаѓање.

Мала количина на енергија може да се појави и во форма на рендгенски зраци. Општо земено, добиеното јадро има различен атомски број, а со тоа и конфигурација на сопствената електронска обвивка е грешна. Како што електроните се преуредени и се спуштаат до пониско енергетско ниво, се оддаваат рендгенски зраци (рендгенски прецизно дефинирани оддавни линии) преку внатрешен премин.

 Q-вредност и еднаква енергија
При одредувањето на равенката на реакцијата, на начин аналоген на хемиската равенка, може да запише во прилог реакционата енергија на десната страна:

Целно јадро + проектил → Крајно јадро + исфрлените честички + Q.

Во конкретниот случај дискутиран погоре, реакционата енергија веќе е пресметана како Q = 22,2 MeV. Оттука:

:{| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ ||2  ||+ ||22,2 MeV
|}

Реакционата енергија („Q -вредноста“) е позитивна за егзотермните реакции и негативна за ендодермните реакции. Од една страна, тоа е разликата помеѓу збировите на кинетичката енергија на десната страна и на левата страна. Но од друга страна, тоа е исто така разликата помеѓу јадрените маси на мирување на левата страна и десната страна (на овој начин, се пресметува Q-вредноста).

Брзина на реакцијата
Ако равенката на реакцијата е еднаква, тоа не значи дека реакцијата навистина се случува. Брзината со која се одвива хемиската реакција, зависи од енергијата на честичките, честичниот флукс и  делотворниот напречен пресек на реакцијата. Еден пример на голема база на податоци за брзината на реакциите е REACLIB, се одржува од страна на Здружениот институт за јадрена астрофизика.

Неутрони наспроти јони
Во почетниот судир кој почнува во реакцијата, честичките мора доволно да се приближат така што краткиот опсег на силното заемодејство да влијае на нив. Често јадрените честички се позитивно наелектризирани, тоа значи дека тие мора да ја надминат значителната електростатичка одбивност пред да започне хемиската реакција. Дури ако и целното јадро е дел од еден неутрален атом, другите честички мора да навлезат зад електронскиот облак и  да се приближат блиску до јадрото, кое е позитивно наелектризирано. Така, на пример честичките мора да бидат прво забрзани до високи енергии, на пример од страна на:
 забрзувач на честички
 јадрено распаѓање (алфа-честичките се од интерес,откако бета и гама-зраците се ретко вклучени во јадрената реакција)
 многу високи температури, од милиони степени, создавајќи термојадрени реакции
 космички зраци
Исто така, откако силата на одбивност е пропорционална со производот на двете полнења, реакциите помеѓу тешките јадра се ретки, и бараат повисока почетна енергијата, од оние меѓу тешките и лесните јадра; додека реакциите помеѓу две лесни јадра се почести.

Неутроните, од друга страна, немаат електрично полнење за да предизвикаат одбивност, и се во можност да иницираат јадрена реакција при многу ниски енергии. Всушност, на исклучително ниски енергии на честичките (што одговара, да речеме, на топлинска рамнотежа на собна температура), неутронската бранова должина на де Број е значително зголемена, а можеби во голема мера го зголемува својот пресек на преземање на енергија, близу до резонанциите на јадрата кои се вклучени. Така неутронската ниска енергија може да биде уште повеќе реактивна од неутронската висока енергија.

Значајни видови
Додека бројот на можни јадрени реакции е огромна, постојат неколку видови кои се почести, или од друга страна значајни. Примери се:
 Соединувачки реакции — две лесни јадра се здружуваат за да формираат потешко,со дополнителни честички (обично протони или неутрони) исфрлени за да се зачува импулсот
 Откршување (спалација) — јадрото е погодено од страна на честичка со доволно енергија и импулс за да се исфрлат мали фрагменти илијадрото е целосно разбиено на многу фрагменти.
 Предизвикана гама-емисија припаѓа на класата во која само фотоните се вклучени во создавањето и уништувањето на  состојба на јадрена возбуденост.
 Алфа-распад – Иако управувано со истите основни сили како спонтаното цепење, α-распаѓањето обично се смета за одвоено од цепењето. Често цитираната идеја е дека „јадрените реакции“ се ограничени од предизвикани процеси е неточно. „Радиоактивните распади“ се подгрупа на „јадрените реакции“ кои се спонтани наместо предизвикани. Пример, таканаречените „топли алфа-честички“ со необично високи енергии можат всушност да создадат тројно цепење, која е предизвикана од јадрената реакција (во спротивност со спонтаното цепење). Ваквите алфа-честички се јавуваат исто така од спонтани тројни цепења.
 Цепни реакции – многу тешко јадро, по апсорбирањето дополнителни лесни честички (обично неутрони), се дели на две или понекогаш три парчиња. Ова е предизвикана јадрена реакција. Спонтаното цепење, која се јавува без помош на неутрони, обично не се смета за јадрена реакција. Во најдобар случај, тоа не е предизвикана јадрена реакција.

Директни реакции
Непосреден реактивен проектил пренесува енергија или собира или губи нуклеони до јадрото во еден брз (10−21 s) настан. Енергијата и импулсот се пренесуваат релативно малку. Тие се особено корисни во експерименталната јадрена физика, бидејќи реакционите механизми се често едноставно доволни за да се пресмета со доволна точност, можната структура на целното јадро.

Нерастегливо расејување

Само енергијата и импулсот се пренесуваат.
 (p,p') се тестираат разликите помеѓу јадрените состојби
 (α,α') се мерат јадрените површини, облици и големина. Откако α-честичките кои го погодиле јадрото, реагираат побурно, растегливото и плитконерастегливото α-расејување, се чувствителни на облиците и големината на целите, како светлинското расејување од мало црно тело.
 (e,e') е корисно за анализа на внатрешната структура. Откако електроните меѓусебно дејствуваат послабо отколку протоните и неутроните, стигаат до центрите на целите и нивните бранови функции се помалку искривени од поминувањето низ јадрото.

Преносни реакции
Обично на умерено ниска температура, еден или повеќе нуклеони се префрлени помеѓу проектилот и целта. Корисни се во проучувањето на надворешната структура на јадрото.
 (α,n) и (α,p) реакции. Некои од првичните проучувани јадрени реакции, содржат алфа-честички создадени од алфа-распадите, одстранувајќи нуклеон од целното јадро.
 (d,n) и (d,p) реакции. Деутрониумов зрак се насочува на целта; целното јадро апсорбира или неутрон или протон од деутериумот. Деутериумот е слабо сврзан што речиси е исто како протонски или неутронски зафат. Составното јадро може да се создаде, што доведува до дополнителните неутрони да бидат испуштени побавно. (d,n) реакции се користат за создавање на енергетски неутрони.
 Непозната разменска реакција (K, π) се користела за проучување на хиперјадрото.
 Реакцјата 14N(α,p)17O изведена од Радерфорд во 1917 (објавена 1919) година, генерално се смета за прв јадрен трансмутационен експеримент.

Реакции со неутрони
  → T → 7Li → 14C (n,α)6Li + n → T + α  10B + n → 7Li + α 17O + n → 14C + α  21Ne + n → 18O + α 37Ar + n → 34S + α(n,p)3He + n → T + p  7Be + n → 7Li + p 14N + n → 14C + p  22Na + n → 22Ne + p 

Реакциите со неутрони се важни во јадрените реактори и јадрените оружја. Додека најпознатите неутронски реакции се неутронско расејување, неутронски пресек, и јадрено цепење, за некои лесни јадра (посебно непарно-непарните јадра) можна реакција со термални неутрони е трансфер реакцијата:

Некои реакции се можни само за брзи неутрони:
 (n,2n) реакциите создаваат мала количина на протактиниум-231 и ураниум-232 во ториумскиот циклус, кој од друга страна е релативно слободен на високорадиоактивни актиноидни производи.
 9Be + n → 2α + 2n може да внесе дополнителни неутрони во берилиумски неутронски рефлектор во јадреното оружје.
 7Li + n → T + α + n дале неочекуван дополнителен придонес во Касл Браво, Касл Ромео, и Касл Јенки, трите највисоки-придонеси во тестирањето на јадреното оружје спроведено од страна на САД.

 Составни јадрени реакции
Или проектил со ниска енергија се впива или повисока енергетска честичка ја префрла енергија на јадрото, оставајќи го со премногу енергија за да бидат целосно врзани заедно. За временски период околу 10−19 секунди, честичките, понекогаш неутроните, се отстранети. Всушност, тоа останува сврзано сè додека не се насобере доволна енергија во еден неутрон за да се избегне меѓусебната привлечност. Наелектризираните честички многу ретко се отстранети поради Кулоновата бариера. Возбудената квазијадрена врска е наречена мешовито јадро.
 Ниската енергија (e, e' xn), (γ, xn) ( xn укажува на еден или повеќе неутрони), каде гама или виртуелната гама-енергија е близу џиновската диполна резонанца. Ова зголемување е потребно за радијакциска заштита околу електронските забрзувачи.

Поврзано

 Верижна нукеларна реакција
 Процес на Опенхајмер-Филипс
 Атомско јадро
 Атомски број
 Атомска маса
 Јаглероден-азотен циклус
 Акомпланарност

Наводи

 Direct Reactions
 Compound Nucleus Reactions

Литература
 M.G. Bowler, Nuclear Physics, Pergamon Press 1973. ISBN 0-08-016983-X

Цепење,јадро
Категорија:Концепти во физиката
Категорија:Јадрена хемија
Категорија:Радиоактивност
Категорија:Јадрено цепење