– proses interaksi inti dengan partikel elementer atau inti lainnya, yang didalamnya terjadi perubahan struktur dan sifat inti. Misalnya emisi partikel elementer oleh inti, fisinya, emisi foton berenergi tinggi ( sinar gamma). Salah satu akibat dari reaksi nuklir adalah terbentuknya isotop yang tidak ada secara alami di Bumi.
Reaksi nuklir dapat terjadi ketika atom dibombardir oleh partikel cepat ( proton , neutron , ion , partikel alfa ).
Lagi informasi berguna tentang berbagai topik - di saluran TV kami.
Reaksi nuklir
Salah satu reaksi nuklir pertama yang dilakukan manusia telah dilakukan Rutherford V 1919 tahun untuk mendeteksi proton. Pada saat itu belum diketahui apa isi inti atom nukleon (proton Dan neutron). Selama pembelahan banyak unsur, sebuah partikel ditemukan yang merupakan inti atom hidrogen. Berdasarkan eksperimennya, Rutherford membuat asumsi bahwa partikel ini merupakan bagian dari semua inti.
Reaksi ini persis menggambarkan salah satu eksperimen ilmuwan. Dalam percobaan tersebut, gasnya lebih tinggi ( nitrogen) dibombardir partikel alfa (inti helium), yang menghancurkan inti nitrogen proton , mengubahnya menjadi isotop oksigen. Rekaman reaksi ini terlihat seperti ini:
Ketika memecahkan masalah yang melibatkan reaksi nuklir, harus diingat bahwa ketika reaksi tersebut terjadi, hukum kekekalan klasik terpenuhi: mengenakan biaya , momentum sudut , impuls Dan energi .
Ada juga hukum konservasi muatan baryon . Ini berarti jumlah nukleon yang berpartisipasi dalam reaksi tetap tidak berubah. Jika kita melihat reaksinya, kita melihat jumlahnya nomor massa (nomor di atas) dan nomor atom l (bawah) pada ruas kanan dan kiri persamaan adalah sama.
Omong-omong! Sekarang ada diskon untuk semua pembaca kami 10% pada .
Energi ikat spesifik inti
Seperti diketahui, salah satu interaksi fisik mendasar terjadi di dalam inti pada jarak sesuai dengan ukurannya - interaksi yang kuat . Untuk mengatasinya dan “menghancurkan” inti, dibutuhkan energi yang besar.
Energi pengikatan nuklir - energi minimum yang diperlukan untuk memecah inti atom menjadi partikel elementer penyusunnya.
Massa setiap inti atom lebih kecil dari massa partikel penyusunnya. Perbedaan antara massa inti dan nukleon penyusunnya disebut cacat massal:
Angka Z Dan N mudah ditentukan menggunakan tabel periodik, dan Anda dapat membaca tentang cara melakukannya. Energi ikat dihitung dengan rumus:
Energi reaksi nuklir
Reaksi nuklir disertai dengan transformasi energi. Ada besaran yang disebut hasil energi reaksi dan ditentukan oleh rumus
Delta M – cacat massal, tetapi masuk pada kasus ini adalah perbedaan massa antara produk awal dan produk akhir reaksi nuklir.
Reaksi dapat terjadi baik dengan pelepasan energi maupun dengan penyerapannya. Reaksi seperti ini disebut masing-masing eksotermik
Dan endotermik
.
Bocor reaksi eksotermik
, syarat berikut harus dipenuhi: energi kinetik produk awal harus lebih besar dari energi kinetik produk yang terbentuk selama reaksi.
Reaksi endotermik mungkin kapan energi pengikatan tertentu nukleon pada produk awal lebih kecil dari energi ikat spesifik inti produk akhir.
Contoh penyelesaian masalah reaksi nuklir
Dan sekarang pasangan contoh praktis dengan solusi:
Bahkan jika Anda menghadapi masalah dengan tanda bintang, perlu diingat bahwa tidak ada masalah yang tidak dapat diselesaikan. Layanan siswa akan membantu Anda menyelesaikan tugas apa pun.
>> Reaksi nuklir
§ 106 REAKSI NUKLIR
Inti atom mengalami transformasi selama interaksi. Transformasi ini disertai dengan peningkatan atau penurunan energi kinetik partikel yang terlibat di dalamnya.
Reaksi nuklir perubahan panggilan inti atom ketika mereka berinteraksi dengan partikel elementer atau satu sama lain. Anda telah melihat contoh reaksi nuklir di § 103. Reaksi nuklir terjadi ketika partikel mendekati inti dan berada dalam lingkup aksi gaya nuklir. Partikel bermuatan yang mungkin saling tolak menolak. Oleh karena itu, pendekatan partikel bermuatan positif ke inti (atau inti satu sama lain) dimungkinkan jika partikel (atau inti) tersebut diberi energi kinetik yang cukup besar. Energi ini diberikan ke proton, inti deuterium - deuteron, -partikel dan inti berat lainnya menggunakan akselerator.
Untuk melakukan reaksi nuklir, metode ini jauh lebih efektif daripada penggunaan inti helium yang dipancarkan unsur radioaktif. Pertama , dengan bantuan akselerator, partikel dapat diberi energi sekitar 10 5 MeV, yaitu jauh lebih besar daripada energi yang dimiliki partikel alfa (maksimum 9 MeV). Kedua , Anda dapat menggunakan proton yang sedang dalam proses peluruhan radioaktif tidak muncul (ini berguna karena muatan proton adalah setengah muatan -partikel, dan oleh karena itu gaya tolak menolak dari inti juga 2 kali lebih kecil). Ketiga , adalah mungkin untuk mempercepat inti yang lebih berat daripada inti helium.
Reaksi nuklir pertama yang menggunakan proton cepat dilakukan pada tahun 1932. Litium dapat dipecah menjadi dua partikel:
Dalam pelajaran kimia Anda belajar tentang reaksi kimia yang mengarah pada transformasi molekul. Namun, atom tidak berubah selama reaksi kimia. Sekarang mari kita pertimbangkan apa yang disebut reaksi nuklir, yang menyebabkan transformasi atom. Mari kita perkenalkan beberapa konvensi:
Di sini X adalah lambang unsur kimia (seperti pada tabel periodik), Z adalah nomor muatan inti isotop, A adalah nomor massa inti isotop.
Nomor muatan nuklir adalah jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah unsur dalam tabel periodik. Nomor massa inti adalah jumlah nukleon (proton dan neutron) yang masuk ke dalam inti. Nomor muatan dan massa adalah besaran fisis yang tidak sesuai dengan muatan dan massa inti.
Misalnya lambang berarti inti atom karbon tersebut mempunyai nomor muatan 6 dan nomor massa 12. Ada pula yang lain isotop karbon, misalnya. Inti dari isotop tersebut mengandung satu neutron lagi untuk jumlah proton yang sama (bandingkan gambarnya).
Reaksi nuklir laboratorium pertama Rutherford berlangsung sebagai berikut:
Inti atom nitrogen berinteraksi dengan partikel a (inti atom helium). Ini menghasilkan inti fluor, produk antara reaksi yang tidak stabil. Dan kemudian inti oksigen dan hidrogen terbentuk darinya, itulah yang terjadi transformasi suatu unsur kimia menjadi unsur kimia lainnya.
Berdasarkan hasil ini reaksi nuklir Mari kita buat tabel berikut.
Dari perbandingan sel-sel pada tabel terlihat bahwa jumlah bilangan massa, serta jumlah bilangan muatan sebelum dan sesudah reaksi nuklir adalah sama berpasangan. Eksperimen menunjukkan hal itu untuk semua reaksi nuklir hal ini benar hukum kekekalan muatan dan bilangan massa: jumlah muatan dan jumlah massa partikel sebelum dan sesudah reaksi nuklir adalah berpasangan.
Kebanyakan reaksi nuklir berakhir setelah terbentuknya inti baru. Namun, ada reaksi yang produknya menimbulkan reaksi nuklir baru, yang disebut reaksi berantai nuklir. Contohnya adalah reaksi fisi inti uranium-235 (lihat gambar). Ketika sebuah neutron mengenai inti uranium, ia meluruh menjadi dua inti lainnya dan 2-3 neutron baru. Neutron ini menghantam inti uranium lainnya dan reaksi berantai berlanjut. Situasi ini sangat ideal. Faktanya, banyak neutron yang dihasilkan terbang keluar dari materi sehingga tidak dapat diserap oleh uranium.
Namun, dengan tingkat kemurnian uranium yang tinggi, yaitu fraksi massanya yang besar, serta penempatannya yang kompak, kemungkinan penangkapan neutron oleh inti tetangganya meningkat. Massa minimum suatu zat radioaktif tempat terjadinya reaksi berantai disebut massa kritis. Untuk uranium-235 murni, beratnya beberapa puluh kilogram. Reaksi berantai yang tidak terkendali terjadi dengan sangat cepat, sehingga mengakibatkan ledakan. Untuk penggunaannya di untuk tujuan damai perlu untuk membuat reaksi dapat dikontrol, yang dicapai dalam perangkat khusus - reaktor nuklir(lihat § 15).
Reaksi nuklir sangat umum terjadi di alam. Misalnya, lebih dari separuh unsur dalam tabel periodik memiliki isotop radioaktif.
Mari kita mengingat kembali secara singkat apa yang telah kita ketahui tentang atom:
- inti atom mempunyai kepadatan yang sangat tinggi dengan ukuran yang sangat kecil (relatif terhadap atom itu sendiri);
- inti mengandung proton dan neutron;
- elektron ditemukan di luar inti pada tingkat energi;
- proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan. Secara umum atom bersifat netral karena memiliki jumlah proton dan elektron yang sama;
- jumlah neutron yang ditemukan pada setiap atom unsur yang sama dapat bervariasi. Atom-atom yang mempunyai muatan inti sama tetapi jumlah neutronnya berbeda disebut isotop.
Dalam tabel periodik, unsur kimia oksigen ditetapkan sebagai berikut:
- 16 - nomor massa (jumlah proton dan neutron);
- 8 - nomor seri (atom) suatu unsur (jumlah proton dalam inti atom);
- TENTANG- penunjukan elemen.
1. Radioaktivitas
Transformasi spontan dari isotop tidak stabil suatu unsur kimia menjadi isotop unsur lain, yang menghasilkan emisi partikel elementer, disebut radioaktivitas.
Jika kita mengetahui salah satu partikel hasil peluruhan, maka kita dapat menghitung partikel lainnya, karena selama reaksi nuklir terjadi apa yang disebut keseimbangan massa reaksi nuklir.
Hakikat reaksi nuklir secara skematis dapat dinyatakan sebagai berikut:
Reaktan yang bereaksi → Produk yang dihasilkan dari reaksi tersebut
Reaksi nuklir dipertimbangkan seimbang, jika jumlah nomor atom unsur-unsur di sisi kiri persamaan sama dengan jumlah nomor atom unsur-unsur yang diperoleh setelah reaksi. Kondisi yang sama harus dipenuhi untuk penjumlahan bilangan massa. Misalkan terjadi reaksi nuklir: isotop klor (klorin-35) dibombardir oleh neutron untuk membentuk isotop hidrogen (hidrogen-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 X + 1 1 H
Unsur X manakah yang berada di ruas kanan persamaan reaksi?
Berdasarkan keseimbangan massa reaksi nuklir, nomor atom unsur yang tidak diketahui adalah 16. V tabel periodik Di bawah angka ini adalah unsur belerang (S). Jadi, kita dapat mengatakan bahwa akibat reaksi nuklir kita, pemboman isotop klor (klorin-35) dengan neutron menghasilkan isotop hidrogen (hidrogen-1) dan isotop sulfur (sulfur-35). Proses ini disebut juga transformasi nuklir.
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
Dengan bantuan transformasi nuklir tersebut, para ilmuwan telah belajar untuk menghasilkan isotop buatan yang tidak ditemukan di alam.
2. Mengapa isotop meluruh?
Inti atom mengandung proton (partikel bermuatan positif) yang terkonsentrasi dalam ruang yang sangat kecil. Sebelumnya kita telah mengatakan bahwa di dalam inti atom terdapat gaya penahan tertentu (yang disebut “lem nuklir”) yang mencegah neutron bermuatan serupa merobek inti atom. Namun terkadang energi tolakan partikel melebihi energi perekatan, dan inti pecah menjadi beberapa bagian - terjadi peluruhan radioaktif.
Para ilmuwan telah menemukan segalanya unsur kimia, di dalam intinya terdapat lebih dari 84 proton (di bawah ini nomor seri dalam tabel adalah polonium - Po), tidak stabil dan dari waktu ke waktu mengalami peluruhan radioaktif. Namun, ada isotop yang memiliki kurang dari 84 proton dalam intinya, namun juga bersifat radioaktif. Faktanya adalah kestabilan suatu isotop dapat dinilai dari perbandingan jumlah proton dan neutron suatu atom. Suatu isotop akan menjadi tidak stabil jika perbedaan jumlah proton dan neutronnya besar (banyak proton dan sedikit neutron, atau sedikit proton dan banyak neutron). Isotop suatu unsur akan stabil jika jumlah neutron dan proton dalam atomnya kira-kira sama.
Oleh karena itu, isotop tidak stabil, yang mengalami peluruhan radioaktif, berubah menjadi unsur lain. Proses transformasi akan berlanjut hingga terbentuk isotop stabil.
3. Waktu paruh
Kapan peluruhan radioaktif atom unsur tidak stabil terjadi? Hal ini bisa terjadi kapan saja: dalam beberapa saat, atau dalam 100 tahun. Namun, jika sampel atom suatu unsur tertentu cukup besar, maka dapat diperoleh pola tertentu.
Tabel di bawah menunjukkan data waktu paruh beberapa isotop radioaktif
Waktu paruh harus diketahui untuk menentukan waktu kapan suatu unsur radioaktif akan menjadi aman - ini akan terjadi ketika radioaktivitasnya telah turun sedemikian rupa sehingga tidak dapat dideteksi lagi, yaitu setelah 10 waktu paruh.
4. Reaksi berantai nuklir
Pada tahun 1930-an, para ilmuwan mulai mencoba mengendalikan reaksi nuklir. Akibat pemboman (biasanya oleh neutron), inti atom elemen berat terpecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Misalnya:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Proses ini disebut pembelahan (fisi) inti. Akibatnya, sejumlah besar energi dilepaskan. Dari mana asalnya? Jika Anda mengukur massa partikel sebelum dan sesudah reaksi dengan sangat akurat, ternyata akibat reaksi nuklir, sebagian massanya hilang tanpa bekas. Hilangnya massa ini biasa disebut dengan cacat massa. Materi yang hilang diubah menjadi energi.
Albert Einstein yang hebat mengemukakan rumusnya yang terkenal: E = mc 2, Di mana
E- jumlah energi;
M- cacat massa (hilangnya massa suatu zat);
Dengan- kecepatan cahaya = 300.000 km/s
Karena kecepatan cahaya itu sendiri merupakan besaran yang sangat besar, dan dalam rumusnya kecepatan cahaya dikuadratkan, bahkan “hilangnya massa” yang tidak signifikan pun akan menyebabkan pelepasan energi yang cukup besar. jumlah besar energi.
Dari persamaan fisi uranium-235 di atas terlihat bahwa dalam proses fisi nuklir dikonsumsi satu elektron, namun diperoleh tiga elektron sekaligus. Pada gilirannya, ketiga elektron yang baru diterima ini, setelah bertemu dengan tiga inti uranium-235 di “jalur” mereka, akan menghasilkan pembelahan lagi, menghasilkan 9 neutron, dan seterusnya.... Rangkaian pembelahan yang terus meningkat ini disebut reaksi berantai.
Reaksi berantai hanya mungkin terjadi pada isotop-isotop yang pembelahannya menghasilkan kelebihan neutron. Jadi reaksi berantai dengan isotop uranium (uranium-238) tidak mungkin terjadi, karena hanya satu neutron yang akan dilepaskan:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Untuk reaksi nuklir, isotop uranium (uranium-235) dan pluton (pluton-239) digunakan. Agar reaksi nuklir dapat berlangsung secara mandiri, diperlukan sejumlah zat yang dapat fisi, yang disebut massa kritis. Jika tidak, jumlah kelebihan neutron tidak akan cukup untuk melakukan reaksi nuklir. Massa zat yang dapat fisi kurang dari massa kritis disebut subkritis.
Reaksi nuklir – ini adalah transformasi inti atom ketika berinteraksi dengan partikel elementer(termasuk dengan γ-quanta) atau dengan satu sama lain. Jenis reaksi nuklir yang paling umum adalah reaksi yang ditulis secara simbolis sebagai berikut:
Di mana X Dan Y– kernel awal dan akhir, A Dan B– partikel yang membombardir dan dipancarkan (atau dipancarkan) dalam reaksi nuklir.
Dalam fisika nuklir, efisiensi interaksi ditandai dengan penampang yang efektif σ. Setiap jenis interaksi partikel-inti dikaitkan dengan penampang efektifnya sendiri: penampang hamburan efektif ;penampang penyerapan efektif .
Penampang efektif reaksi nuklir σ ditemukan dengan rumus:
 ,
|
(9.5.1) |
Di mana N– jumlah partikel yang jatuh per satuan waktu per satuan luas persilangan zat yang mempunyai per satuan volume N inti; D N adalah jumlah partikel yang bereaksi dalam lapisan setebal d X. Penampang efektif σ memiliki dimensi luas dan mencirikan probabilitas terjadinya reaksi ketika seberkas partikel mengenai suatu zat.
Satuan pengukuran penampang efektif proses nuklir – lumbung (1 lumbung = 10–28 m2).
Dalam reaksi nuklir apa pun sedang dilakukan undang-undang konservasi muatan listrik Dan nomor massa : jumlah biaya(dan jumlah nomor massa) inti dan partikel, bereaksi sama dengan jumlah muatannya(dan jumlah nomor massa) produk akhir(inti dan partikel) reaksi. Sedang berlangsung Juga hukum kekekalan energi , impuls Dan momentum sudut .
Berbeda dengan peluruhan radioaktif yang selalu melepaskan energi, reaksi nuklir dapat berupa keduanya eksotermik (dengan pelepasan energi), dan endotermik (dengan penyerapan energi).
Peran paling penting dalam menjelaskan mekanisme banyak reaksi nuklir dimainkan oleh asumsi N. Bohr (1936) bahwa reaksi nuklir berlangsung dalam dua tahap menurut skema berikut:
| . | (9.5.2) |
Tahap pertama – ini ditangkap oleh intinya X partikel A, mendekatinya pada jarak aksi gaya nuklir (kurang-lebih), dan pembentukan inti perantara DENGAN, disebut komposit (atau inti majemuk). Energi suatu partikel yang terbang ke dalam nukleus dengan cepat didistribusikan ke antara nukleon-nukleon inti majemuk, sebagai akibatnya ia berada dalam keadaan tereksitasi. Ketika nukleon bertabrakan dalam inti majemuk, salah satu nukleon (atau kombinasi keduanya, seperti deuteron) atau α - partikel dapat menerima energi yang cukup untuk melepaskan diri dari inti. Hasilnya datang reaksi nuklir tahap kedua – peluruhan inti majemuk menjadi inti Y dan sebuah partikel B.
Dalam fisika nuklir diperkenalkan karakteristik waktu nuklir – waktu,diperlukan suatu partikel untuk menempuh jarak yang besarnya sama dengan diameter inti(). Jadi untuk sebuah partikel dengan energi 1 MeV (yang setara dengan kecepatannya 10 7 m/s), karakteristik waktu nuklirnya adalah .Sebaliknya, telah dibuktikan bahwa umur inti senyawa adalah 10 –16 – 10 –12 detik, mis. adalah (10 6 – 10 10)τ. Artinya selama masa hidup suatu inti senyawa dapat terjadi banyak tumbukan nukleon satu sama lain, yaitu. redistribusi energi antar nukleon memang dimungkinkan. Akibatnya, inti majemuk hidup begitu lama sehingga “lupa” sama sekali bagaimana pembentukannya. Oleh karena itu, sifat peluruhan inti senyawa (partikel yang dipancarkannya B) – reaksi nuklir tahap kedua – tidak bergantung pada metode pembentukan inti senyawa, tahap pertama.
Jika partikel yang dipancarkan identik dengan partikel yang ditangkap (), maka skema (4.5.2) menggambarkan hamburan partikel: elastis – pada ; tidak elastis – pada . Jika partikel yang dipancarkan tidak identik dengan partikel yang ditangkap (), maka kita memiliki kemiripan dengan reaksi nuklir dalam arti sebenarnya.
Beberapa reaksi terjadi tanpa pembentukan inti majemuk, mereka dipanggil interaksi nuklir langsung(misalnya, reaksi yang disebabkan oleh nukleon dan deuteron cepat).
Reaksi nuklir diklasifikasikan menurut kriteria berikut:
· berdasarkan jenis partikel yang terlibat di dalamnya - reaksi di bawah pengaruh neutron; reaksi di bawah pengaruh partikel bermuatan (misalnya proton, deuteron, partikel α); reaksi di bawah pengaruh γ-quanta;
· menurut energi partikel yang menyebabkannya - reaksi pada energi rendah (dalam urutan elektron volt), terjadi terutama dengan partisipasi neutron; reaksi pada energi sedang (hingga beberapa MeV), terjadi dengan partisipasi γ-kuanta dan partikel bermuatan (proton, partikel α); reaksi yang terjadi pada energi tinggi (ratusan dan ribuan MeV), menyebabkan munculnya partikel elementer yang tidak ada dalam keadaan bebas dan memiliki sangat penting untuk mempelajarinya;
· berdasarkan jenis inti yang terlibat di dalamnya - reaksi pada inti ringan (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
· berdasarkan sifat transformasi nuklir yang terjadi - reaksi dengan emisi neutron; reaksi dengan emisi partikel bermuatan; reaksi penangkapan (dalam reaksi ini inti senyawa tidak memancarkan partikel apa pun, tetapi bertransisi ke keadaan dasar, memancarkan satu atau lebih γ-kuanta).
Untuk melihat demo, klik hyperlink yang sesuai: