Reakcje j±drowe

REAKCJE J¡DROWE

Reakcj± j±drow± nazywamy tak± reakcjê, w czasie której bombardujemy j±dro atomowe cz±stk± o du¿ej energii i wywo³ujemy zmianê jego w³asno¶ci, b±d¼ rodzaju.
W 1919 roku Ernest Rutherford dokona³ pierwszej sztucznej przemiany j±drowej. Naukowiec bombardowa³ j±dra ¹⁴₇N cz±steczkami alfa o energii 7,68MeV. W czasie tego do¶wiadczenia zasz³a reakcja j±drowa, w której otrzyma³ protony i j±dra ¹⁷₈O:

(1)

Reakcje t± mo¿na zapisaæ tak¿e w inny sposób:

(2)

W swoim do¶wiadczeniu Rutherford jako ¼ród³a cz±steczek alfa u¿ywa³ promieniotwórczego polonu. Jednak, aby mo¿liwe sta³o siê przeprowadzanie i badanie reakcji j±drowych na wiêksz± skalê, potrzebne by³o ¼ród³o cz±steczek, które by³oby znacznie tañsze, ni¿ substancja promieniotwórcza i które da³oby siê kontrolowaæ. Na pocz±tku lat 30-stych wprowadzono taki mechanizm uzyskiwania cz±steczek. Stosowano elektryczne wy³adowania w pojemniku z rozrzedzonym wodorem. Atomy wodoru ulega³y jonizacji. Uzyskiwano wiêc j±dra wodoru - protony. Nastêpnie protony te by³y rozpêdzane dziêki ró¿nicy potencja³ów. Urz±dzeniami, w których przeprowadza siê takie procesy s± np. generatory Cockcrofta-Waltona, generatory Van de Graffa, czy cyklotrony.
Reakcjami j±drowymi rz±dz± nastêpuj±ce prawa:

Zachowanie ³adunku elektrycznego. Ca³kowita liczba protonów przed reakcj± jest równa ca³kowitej liczbie protonów po reakcji.
Zachowanie liczby nukleonów (protonów i neutronów). Ca³kowite liczby masowe przed i po reakcji s± takie same.
Zachowanie masy-energii. Dla danego uk³adu izolowanego podlegaj±cego przemianie j±drowej sta³a jest suma energii (masa zwi±zana jest z energi± przez równanie Einsteina E=mc²).
Zachowanie pêdu.
Zachowanie momentu pêdu.

Rozpatrzmy dok³adniej zasadê zachowania masy-energii. We¼my dla przyk³adu tarczê ostrzeliwan± danymi cz±steczkami. Energia pocz±tkowa równa jest ca³kowitej energii pocisku (energii spoczynkowej- m*c² i kinetycznej cz±steczki - Ep) i energii spoczynkowej j±dra tarczy - M*c² (tarcza nie porusza siê nie ma wiêc energii kinetycznej). Energia koñcowa równa jest natomiast ca³kowitej energii cz±stki wylatuj±cej (energii spoczynkowej - m1*c² i kinetycznej cz±stki wylatuj±cej - E_k₁) i ca³kowitej energii j±dra odrzutu (energii spoczynkowej - M1*c² i kinetycznej j±dra odrzutu - E_k₂). W reakcjach rozpatrywanych na pocz±tku naszego wieku cz±steczki nie mia³y wielkich prêdko¶ci, dlatego przy liczeniu energii mog³y byæ traktowane klasycznie, a nie relatywistycznie. A wiêc:

Ep + m*c^2 + M*c^2 = m1*c^2 + Ek1 + M1*c^2 + Ek2

(3)

Mo¿emy teraz wprowadziæ wielko¶æ Q - energiê reakcji. Energia reakcji jest to energia, która odpowiada ró¿nicy mas cz±stek przed reakcj± i po reakcji:

(4)

Warto¶æ ta jest równa sumie energii kinetycznych cz±steczek wyj¶ciowych minus energia kinetyczna cz±steczki bombarduj±cej:
Je¿eli masa cz±stek pocz±tkowych jest wiêksza od masy cz±stek koñcowych (Q>0), to w czasie reakcji wydzieli³a siê pewna ilo¶æ energii. Energia ta jest ró¿nic± pomiêdzy wyj¶ciow± a wej¶ciow± energi± kinetyczn± cz±steczek. Reakcje j±drowe, w których tak siê dzieje nazywamy reakcjami egzoenergetycznymi. Procesy takie mog± zachodziæ samorzutnie.
Przeciwnie jest w reakcjach, w których masa produktów wyj¶ciowych jest wiêksza od masy pocz±tkowej (Q<0). Takie reakcje zwane endoenergetycznymi nie mog± zachodziæ samorzutnie. Musi zostaæ dostarczona energia z zewn±trz.

(5)

Mogliby¶my przyj±æ, ¿e dla warunków granicznych zarówno E_k₁ i E_k₂ równaj± siê zero (cz±steczki po reakcji nie poruszaj± siê). Wtedy:

(6)

Jednak zapomnieli¶my w tych obliczeniach o innej zasadzie zachowania - zasadzie zachowania pêdu. Cz±stka bombarduj±ca poruszaj±c siê z pewn± prêdko¶ci± musi nadaæ pewn± prêdko¶æ j±dru odrzutu i cz±steczce wyprodukowanej.

Zgodnie z obliczeniami naukowców minimalna energia progowa potrzebna do zaj¶cia reakcji endoenergetycznej wynosi wiêc:

(7)

Tak wiêc bombarduj±c j±dro atomowe cz±steczk± maj±c± energiê progow± dochodzi do reakcji j±drowej.