Πυρηνικές Αντιδράσεις
Βασικές έννοιες
Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τα πάντα για τις πυρηνικές αντιδράσεις . Αυτό περιλαμβάνει μια εισαγωγή στις πυρηνικές αντιδράσεις και μια συζήτηση σχετικά με τον τρόπο γραφής των εξισώσεών τους. Λαμβάνουμε επίσης υπόψη τους διαφορετικούς τύπους πυρηνικών αντιδράσεων, οι οποίοι περιλαμβάνουν την πυρηνική σχάση, την πυρηνική σύντηξη και τη ραδιενεργή διάσπαση.
Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα
- Η δομή ενός ατόμου
- Πώς να βρείτε τον αριθμό πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων
- Αφθονία ισοτόπων και μέση ατομική μάζα
- Τρόπος ανάγνωσης του περιοδικού πίνακα
Εισαγωγή στις πυρηνικές αντιδράσεις
Τι είναι οι πυρηνικές αντιδράσεις; Το μεγαλύτερο μέρος της χημείας που γνωρίζουμε ασχολείται με τις αντιδράσεις μεταξύ ατόμων και μορίων. Ενώ οι χημικές ιδιότητες των ενώσεων μπορεί να αλλάξουν δραστικά, η ταυτότητα των ατόμων παραμένει σταθερή σε αυτές τις αντιδράσεις.
Οι πυρηνικές αντιδράσεις, από την άλλη πλευρά, τροποποιούν τους πυρήνες των ατόμων. Αυτό μπορεί να αλλάξει ένα άτομο από ένα στοιχείο σε άλλο, να δημιουργήσει διαφορετικά ισότοπα ενός στοιχείου ή ακόμα και να δημιουργήσει νέα στοιχεία που δεν υπάρχουν στη φύση.
Πολλά από τα συνθετικά στοιχεία που ανακαλύφθηκαν στα τέλη του εικοστού και στις αρχές του εικοστού πρώτου αιώνα δημιουργήθηκαν από πυρηνικές αντιδράσεις. Τα περισσότερα από αυτά είναι σταθερά μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου πριν αποσυντεθούν!
Συγγραφή εξισώσεων πυρηνικής αντίδρασης
Η εγγραφή πυρηνικών αντιδράσεων απαιτεί ελαφρώς διαφορετικές πληροφορίες από αυτές που έχουμε συνηθίσει να παρέχουμε στις συνηθισμένες εξισώσεις χημικών αντιδράσεων. Μερικές φορές ξεκινάμε και τελειώνουμε με τα ίδια άτομα εδώ, οπότε πώς δείξουμε τι αλλάζει; Πρέπει να δείξουμε τη μάζα και τον ατομικό αριθμό κάθε πυρήνα ή υποατομικού σωματιδίου που χρησιμοποιείται στην εξίσωση. Ο τρόπος που το κάνουμε αυτό είναι να γράψουμε κάθε σωματίδιο με έναν εκθέτη και δείκτη στα αριστερά του συμβόλου του.
Για παράδειγμα, παρακάτω είναι το σύμβολο για το μόλυβδο-207, ένα ισότοπο μολύβδου με 125 νετρόνια και 82 πρωτόνια. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με το πυρηνικό φορτίο και πηγαίνει ως δείκτης πριν από το στοιχειακό σύμβολο. Ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων είναι ακριβώς πάνω από αυτόν για να παραχθεί η τελική γραπτή μορφή.
Εκτός από κανονικούς πυρήνες όπως αυτός, μπορούμε επίσης να έχουμε υποατομικά σωματίδια που δεν έχουν στοιχειακό σύμβολο (όπως ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, νετρίνα και αντινετρίνα). Τα ηλεκτρόνια γράφονται ως e ή το ελληνικό γράμμα βήτα με φορτίο -1 και μάζα 0 (αυτή είναι κατά προσέγγιση, καθώς ζυγίζει πολύ λιγότερο από 1 amu ή τη μάζα ενός πρωτονίου). Τα ποζιτρόνια είναι τα ίδια, αλλά χρησιμοποιούμε ένα p (ή το ελληνικό γράμμα βήτα, πάλι) και ένα θετικό 1 για φορτίο. Τα νετρίνα αντιπροσωπεύονται από το ελληνικό γράμμα mu με μηδέν για το φορτίο και τη μάζα. Τα αντινετρίνα έχουν απλώς μια μπάρα πάνω από το σύμβολο για να τα διαφοροποιούν. Παρακάτω μπορείτε να δείτε πώς να γράψετε πολλά από τα κοινά σωματίδια.
Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων
Αντιδράσεις σχάσης
Μία από τις πιο γνωστές κατηγορίες πυρηνικών αντιδράσεων είναι η αντίδραση σχάσης. Η πυρηνική σχάση είναι όταν ένας πυρήνας χωρίζεται στο μισό, δημιουργώντας δύο μικρότερους πυρήνες. Ορισμένα πολύ βαριά στοιχεία υφίστανται σχάση αυθόρμητα, ενώ τα περισσότερα απαιτούν μια ώθηση - κάτι που θα πυροδοτήσει τη διαδικασία. Αυτή η ώθηση παρέχεται συνήθως από ένα νετρόνιο που χτυπά τον πυρήνα.
Αντιδράσεις σύντηξης
Ένας άλλος τύπος πυρηνικής αντίδρασης είναι η αντίδραση σύντηξης. Ουσιαστικά το αντίστροφο της αντίδρασης σχάσης, αυτός ο τύπος περιλαμβάνει τον συνδυασμό δύο πυρήνων για να σχηματιστεί ένας τρίτος, βαρύτερος πυρήνας.
Το Fusion είναι ένα κοινό στοιχείο των ιστοριών επιστημονικής φαντασίας αφού απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Επί του παρόντος, είναι δύσκολο να επιτευχθεί σύντηξη υπό χρήσιμες συνθήκες για την παραγωγή ενέργειας, αλλά η ανάπτυξη καλύτερων αντιδραστήρων σύντηξης είναι ένα καυτό πεδίο έρευνας!
Ραδιενεργός διάσπαση
Οι ραδιενεργοί πυρήνες «αποσύνονται» ή αποσυντίθενται σε διαφορετική κατάσταση με την πάροδο του χρόνου. Όταν το κάνουν αυτό, απελευθερώνουν σωματίδια στο περιβάλλον τους, τα οποία μπορεί να είναι δυνητικά χρήσιμα - ή επιζήμια. Μερικά παραδείγματα είναι το σωματίδιο άλφα, το σωματίδιο ηλεκτρονίου ή βήτα υψηλής ενέργειας και το φωτόνιο ή το σωματίδιο γάμμα υψηλής ενέργειας.
Ο ρυθμός ραδιενεργού αποσύνθεσης μετράται χρησιμοποιώντας κάτι που ονομάζεται «χρόνος ημιζωής». Ο ορισμός του χρόνου ημιζωής είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστούν τα μισά από τα αρχικά άτομα σε ένα δείγμα και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο t1/2 . Για να καταλάβετε τι σημαίνει αυτό, ας υποθέσουμε ότι έχετε ένα δείγμα δεκαέξι ατόμων με χρόνο ημιζωής πέντε λεπτών. Μετά από πέντε λεπτά, κατά μέσο όρο, θα παραμείνουν μόνο οκτώ από αυτά τα άτομα. Οι άλλοι οκτώ θα έχουν αποσυντεθεί σε κάτι άλλο. Μετά από 10 λεπτά (δύο ημιζωές), κατά μέσο όρο δώδεκα άτομα θα έχουν αποσυντεθεί – τα οκτώ από πριν, συν τα μισά από τα υπόλοιπα 8. Μετά από 15 λεπτά (τρεις ημιζωές), κατά μέσο όρο 14 άτομα θα έχουν διασπαστεί, αφήνοντας μόνο δύο. Τελικά, μετά από 20 λεπτά, θα μείνει μόνο 1 άτομο.
Μπορούμε να πούμε μόνο "κατά μέσο όρο" επειδή ποτέ δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πότε θα διασπαστεί ένα μεμονωμένο άτομο – μόνο ο ρυθμός με τον οποίο γενικά διασπάται. Εάν εκτελούσαμε το παραπάνω πείραμα στην πραγματική ζωή, πιθανότατα θα είχαμε διαφορετικά αποτελέσματα. Ωστόσο, αν το τρέχαμε πολλές φορές, τα αποτελέσματα θα πλησίαζαν όλο και περισσότερο σε αυτό που περιγράψαμε.
Αποσύνθεση άλφα
Η διάσπαση άλφα είναι ένας τύπος πυρηνικής σχάσης. Σε αυτή την ποικιλία, ένας από τους νέους πυρήνες είναι πάντα ο πυρήνας του ηλίου – 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια. Αυτό σημαίνει ότι για να υπολογίσουμε το άλλο προϊόν, μπορούμε απλώς να αφαιρέσουμε 2 πρωτόνια και 4 μονάδες μάζας. Για παράδειγμα, εάν το ουράνιο-238 υποστεί διάσπαση άλφα, παράγει το σωματίδιο άλφα και ένα άτομο θορίου-234. Παρακάτω μπορείτε να δείτε μια άλλη διάσπαση ουρανίου που ξεκινά με το κοινό ισότοπο U-235 και καταλήγει στο σχηματισμό του θορίου-231. Παρακάτω παρουσιάζονται δύο συνήθεις μέθοδοι γραφής αυτής της αντίδρασης (μία στην οποία το σωματίδιο άλφα γράφεται ρητά ως προϊόν και μια άλλη όπου γράφεται πάνω από το βέλος της αντίδρασης ως συντομογραφία).
Αποσύνθεση beta
Ένας τύπος ραδιενεργής διάσπασης έχει ως αποτέλεσμα την αποσύνθεση ενός νετρονίου σε δύο μέρη:ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας που εκτοξεύεται από τον πυρήνα, γνωστό ως σωματίδιο βήτα, και ένα πρωτόνιο, το οποίο παραμένει στον πυρήνα, δίνοντάς του μια επιπλέον μονάδα θετικού φορτίου . Ένα άλλο λιγότερο συχνά συζητούμενο υποατομικό σωματίδιο δημιουργείται επίσης - το αντινετρίνο. Είναι σημαντικό, επειδή το νετρόνιο χωρίζεται σε ένα θετικά και ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο, η διαδικασία διατηρεί φορτίο. Παρακάτω μπορείτε να δείτε μια διάσπαση βήτα που ξεκινά με το θόριο-231 από πάνω και καταλήγει στο πρωτακτίνιο-231.
Υπάρχει μια παραλλαγή της διάσπασης βήτα που ονομάζεται διάσπαση βήτα συν, στην οποία δημιουργείται ένα ποζιτρόνιο αντί για ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο δημιουργείται αντί για ένα αντινετρίνο.
Εκπομπή γάμμα
Ορισμένοι τύποι πυρηνικών αντιδράσεων δεν περιλαμβάνουν αλλαγή στον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα. Η πιο γνωστή, η εκπομπή γάμμα, είναι μια αντίδραση που απελευθερώνει πολύ υψηλής ενέργειας φωτόνια (φως) γνωστά ως ακτινοβολία γάμμα. Αυτή η ακτινοβολία είναι πολύ επικίνδυνη για τους ζωντανούς οργανισμούς και είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο τα ραδιενεργά υλικά είναι τόσο δύσκολο να χειριστούν με ασφάλεια.
Ο λόγος για την εκπομπή φωτονίων γάμμα είναι η διάσπαση ενός πυρήνα από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Αυτό είναι ακριβώς όπως το ορατό φως που εκπέμπεται από τα ηλεκτρόνια. Η κύρια διαφορά είναι ότι η διαφορά στην ενέργεια μεταξύ των επιπέδων πυρηνικής ενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερη. Ως αποτέλεσμα, τα φωτόνια που εκπέμπονται είναι πολύ υψηλότερα σε ενέργεια και μικρότερα σε μήκος κύματος. Είναι η υψηλή τους ενέργεια που τους κάνει επικίνδυνους για τα ζωντανά όντα. Είναι ένας τύπος «ιονίζουσας» ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να τροποποιήσει τα σημαντικά βιομόρια που διατηρούν τη λειτουργία των οργανισμών, όπως το DNA.
Περαιτέρω ανάγνωση
- Ατομικό μοντέλο Rutherford
- Ατομική Θεωρία του Ντάλτον
- Μοντέλο Bohr του ατόμου
- Ανακάλυψη του πυρήνα:Πείραμα του χρυσού φύλλου του Ράδερφορντ
- Ανακάλυψη του ηλεκτρονίου:JJ Thomson και ο σωλήνας καθοδικών ακτίνων
