Цөмийн урвал (NR) - атомын цөм нь өөр атомын цөмтэй нийлэх эсвэл бутлах замаар өөрчлөгддөг процесс. Тиймээс энэ нь дор хаяж нэг нуклидыг нөгөө рүү шилжүүлэхэд хүргэх ёстой. Заримдаа, хэрэв цөм нь өөр цөм эсвэл бөөмстэй харилцан үйлчлэлцэж, ямар нэгэн цөмийн шинж чанарыг өөрчлөхгүй бол уг процессыг цөмийн сарнилт гэж нэрлэдэг. Магадгүй хамгийн алдартай нь одод болон нарны энергийн үйлдвэрлэлд нөлөөлдөг гэрлийн элементүүдийн нэгдэх урвал юм. Мөн сансрын туяа бодистой харилцан үйлчлэхэд байгалийн урвал явагддаг.
Байгалийн цөмийн реактор
Хүний удирддаг хамгийн алдартай урвал бол цөмийн реакторт үүсдэг задралын урвал юм. Эдгээр нь цөмийн гинжин урвалыг эхлүүлэх, хянах төхөөрөмж юм. Гэхдээ энд зөвхөн хиймэл реакторууд байдаггүй. Дэлхийн анхны байгалийн цөмийн реакторыг 1972 онд Францын физикч Фрэнсис Перрин Габоны Окло хотод нээжээ.
Цөмийн урвалын байгалийн энерги үүсэх нөхцөлийг 1956 онд Пол Казуо Курода таамаглаж байжээ. Цорын ганц мэдэгдэж буй газарДэлхий энэ төрлийн бие даасан урвал явагдсан 16 газраас бүрддэг. Энэ нь ойролцоогоор 1.7 тэрбум жилийн өмнө байсан бөгөөд хэдэн зуун мянган жилийн турш үргэлжилсэн гэж үздэг нь ксенон изотопууд (хуваагдах бүтээгдэхүүний хий) болон U-235/U-238 (байгалийн уран баяжуулах) янз бүрийн харьцаагаар нотлогддог.
Цөмийн хуваагдал
Холбооны энергийн графикаас харахад 130-аас их масстай нуклидууд байна. бие биенээсээ аяндаа салж илүү хөнгөн, тогтвортой нуклид үүсгэх ёстой. Туршилтаар эрдэмтэд цөмийн урвалын элементүүдийн аяндаа хуваагдах урвал нь зөвхөн 230 ба түүнээс дээш масстай хамгийн хүнд нуклидуудад тохиолддог болохыг тогтоожээ. Үүнийг хийсэн ч энэ нь маш удаан байна. Жишээлбэл, 238 U-ийн аяндаа задралын хагас задралын хугацаа нь 10-16 жил буюу манай гарагийн наснаас хоёр сая дахин урт байна! Хүнд нуклидын дээжийг удаан дулааны нейтроноор цацрагаар цацах замаар задрах урвалыг өдөөж болно. Жишээлбэл, 235 U дулааны нейтроныг шингээх үед жигд бус масстай хоёр бөөмс болж хуваагдан дунджаар 2.5 нейтрон ялгаруулдаг.
238 U нейтроныг шингээх нь цөмд чичиргээ үүсгэдэг ба энэ нь шингэний дусал жижиг дусал болон хуваагддагтай адил хэсгүүд болон хуваагдах хүртэл гажиг үүсгэдэг. 72-161 цагийн хооронд атомын масстай 370 гаруй охин нуклид. 235U дулааны нейтроноор хуваагдах явцад үүсдэг ба үүнд хоёр бүтээгдэхүүн орно.доор харуулав.
Уран зэрэг цөмийн урвалын изотопууд өдөөгдсөн задралд ордог. Гэхдээ байгалийн цорын ганц изотоп 235 U нь ердөө 0.72% -д элбэг байдаг. Энэхүү изотопын өдөөгдсөн хуваагдал нь нэг атомд дунджаар 200 МэВ буюу 235 U-ын 1 грамм тутамд 80 сая киложоуль ялгаруулдаг. Цөмийн хуваагдлыг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон татдагийг энэ утгыг байгалийн үед ялгарах 50 кЖ/г-тай харьцуулж ойлгож болно. хий шатсан.
Анхны цөмийн реактор
Анхны хиймэл цөмийн реакторыг Энрико Ферми болон хамтран ажиллагсад нь Чикагогийн их сургуулийн хөлбөмбөгийн цэнгэлдэх хүрээлэнд барьж, 1942 оны 12-р сарын 2-нд ашиглалтад оруулсан. Хэд хэдэн киловатт эрчим хүч үйлдвэрлэсэн энэ реактор нь 40 тонн уран, ураны исэл бүхий шоо торны эргэн тойронд давхаргаар овоолсон 385 тонн бал чулуун блокоос бүрдсэн байв. Энэ реактор дахь 238 U эсвэл 235 U-ийн аяндаа хуваагдал нь маш цөөхөн нейтрон үүсгэдэг. Гэвч уран хангалттай байсан тул эдгээр нейтронуудын нэг нь 235 U цөмийн задралыг өдөөдөг бөгөөд ингэснээр дунджаар 2.5 нейтрон ялгаруулж, гинжин урвалд (цөмийн урвал) нэмэлт 235 U цөмийн задралыг хурдасгасан.
Гинжин урвалыг явуулахад шаардагдах задрах материалын хэмжээг критик масс гэнэ. Ногоон сумнууд нь ураны цөм шинэ нейтрон ялгаруулж буй хоёр хуваагдлын хэсгүүдэд хуваагдаж байгааг харуулж байна. Эдгээр нейтронуудын зарим нь шинэ хуваагдлын урвалыг (хар сум) өдөөж болно. Зарим нэгбусад процессуудад нейтрон алдагдаж болно (цэнхэр сум). Улаан сумнууд нь цацраг идэвхт задралын хэсгүүдээс хожим орж ирдэг, шинэ хуваагдлын урвалыг өдөөж болох саатсан нейтронуудыг харуулж байна.
Цөмийн урвалын тодорхойлолт
Атомын үндсэн шинж чанарууд, тэр дундаа атомын дугаар, атомын масс зэргийг харцгаая. Атомын дугаар нь атомын цөм дэх протоны тоо бөгөөд изотопууд нь ижил атомын дугаартай боловч нейтроны тоогоор ялгаатай байдаг. Хэрэв анхны цөмүүдийг a ба b, бүтээгдэхүүний цөмийг c ба d гэж тэмдэглэсэн бол урвалыг доороос харж болох тэгшитгэлээр илэрхийлж болно.
Бүрэн тэгшитгэлийг ашиглахын оронд гэрлийн бөөмсийн хувьд ямар цөмийн урвалууд цуцлагдах вэ? Ихэнх тохиолдолд ийм процессыг тайлбарлахад авсаархан хэлбэрийг ашигладаг: a (b, c) d нь a + b үүсгэдэг c + d-тэй тэнцүү байна. Хөнгөн бөөмсийг ихэвчлэн товчилдог: ихэвчлэн p нь протон, n нейтрон, d нь дейтерон, α нь альфа эсвэл гелий-4, β нь бета эсвэл электрон, γ нь гамма фотон гэх мэт.
Цөмийн урвалын төрлүүд
Хэдийгээр ийм урвалын боломжит тоо асар их боловч тэдгээрийг төрлөөр нь ангилж болно. Эдгээр урвалын ихэнх нь гамма цацраг дагалддаг. Энд зарим жишээ байна:
- Уян сарнилт. Зорилтот цөм болон ирж буй бөөмийн хооронд энерги шилжихгүй үед тохиолддог.
- Уян хатан бус сарнилт. Эрчим хүч дамжуулах үед үүсдэг. Кинетик энергийн ялгаа нь өдөөгдсөн цөмд хадгалагдана.
- Харилцаа бичих. аль аль нь цэнэглэгдсэн батөвийг сахисан тоосонцорыг бөөмөөр барьж болно. Энэ нь ɣ-цацрагийн ялгаралт дагалддаг. Нейтрон барих урвал дахь цөмийн урвалын бөөмсийг цацраг идэвхт нуклид гэж нэрлэдэг.
- Дамжуулах урвал. Нэг буюу хэд хэдэн бөөмс ялгарах дагалддаг бөөмийн шингээлтийг дамжуулах урвал гэнэ.
- Хуваалтын урвал. Цөмийн хуваагдал нь атомын цөмийг жижиг хэсгүүдэд (хөнгөн цөм) хуваах урвал юм. Явах процесс нь ихэвчлэн чөлөөт нейтрон ба фотонуудыг (гамма туяа хэлбэрээр) үүсгэж, их хэмжээний энерги ялгаруулдаг.
- Уйлуулах урвал. Хоёр ба түүнээс дээш атомын цөм маш өндөр хурдтайгаар мөргөлдөж, нэгдэж шинэ төрлийн атомын цөм үүсэх үед үүсдэг. Дейтерий-тритий хайлуулах цөмийн бөөмс нь ирээдүйд эрчим хүч өгөх чадвартай тул онцгой анхаарал татаж байна.
- Хуваах урвал. Цөмийг хангалттай эрчим хүч, импульс бүхий бөөмс цохиход цөөн хэдэн жижиг хэсгүүдийг таслах эсвэл олон хэлтэрхий болгон хуваах үед үүсдэг.
- Дахин зохицуулах урвал. Энэ нь нэг буюу хэд хэдэн бөөмс ялгарах дагалддаг бөөмийн шингээлт юм:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Янз бүрийн дахин зохион байгуулалтын урвалууд нь нейтроны тоо болон протоны тоог өөрчилдөг.
Цөмийн задрал
Тогтворгүй атом энерги алдвал цөмийн урвал үүсдэгцацраг. Квантын онолын дагуу атом хэзээ задрахыг урьдчилан таамаглах боломжгүй тул энэ нь нэг атомын түвшинд санамсаргүй үйл явц юм.
Цацраг идэвхт задралын олон төрөл байдаг:
- Альфа цацраг идэвхт. Альфа бөөмс нь гелийн цөмтэй ижил бөөмстэй холбогдсон хоёр протон, хоёр нейтроноос тогтдог. Маш том масс болон цэнэгийн улмаас энэ нь материалыг хүчтэй ионжуулдаг ба маш богино зайтай.
- Бета цацраг идэвхт. Энэ нь кали-40 гэх мэт зарим төрлийн цацраг идэвхт цөмөөс ялгардаг өндөр энергитэй, өндөр хурдтай позитрон буюу электронууд юм. Бета тоосонцор нь альфа тоосонцороос илүү нэвтрэлтийн хүрээтэй боловч гамма туяанаас хамаагүй бага байдаг. Гаргасан бета тоосонцор нь цөмийн гинжин урвалын бета туяа гэж нэрлэгддэг ионжуулагч цацрагийн нэг хэлбэр юм. Бета тоосонцор үүсэхийг бета задрал гэж нэрлэдэг.
- Гамма цацраг идэвхт. Гамма туяа нь маш өндөр давтамжийн цахилгаан соронзон цацраг тул өндөр энергитэй фотон юм. Тэд өндөр энергийн төлөвөөс гамма задрал гэж нэрлэгддэг доод төлөв рүү шилжих явцад бөөм задрах үед үүсдэг. Ихэнх цөмийн урвалууд нь гамма цацраг дагалддаг.
- Нейтроны ялгарал. Нейтроны ялгарал нь илүүдэл нейтрон (ялангуяа задралын бүтээгдэхүүн) агуулсан цөмийн цацраг идэвхт задралын нэг төрөл бөгөөд нейтрон нь цөмөөс зүгээр л гадагшилдаг. Энэ төрөлЦөмийн реакторын хяналтад цацраг гол үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь эдгээр нейтронууд саатдаг.
Эрчим хүч
Цөмийн урвалын энергийн Q-утга нь урвалын явцад ялгарсан буюу шингэсэн энергийн хэмжээ юм. Үүнийг энергийн баланс буюу урвалын Q-утга гэж нэрлэдэг. Энэ энерги нь бүтээгдэхүүний кинетик энерги болон урвалд орох бодисын хэмжээ хоорондын зөрүүгээр илэрхийлэгдэнэ.
Урвалын ерөнхий дүр зураг: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), энд x ба X нь урвалд орох бодис ба y ба Y нь цөмийн урвалын энергийг тодорхойлох урвалын бүтээгдэхүүн, Q нь энергийн баланс юм.
Q-утга NR нь урвалд ялгарсан эсвэл шингэсэн энергийг хэлнэ. Үүнийг мөн NR энергийн баланс гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь мөн чанараас хамааран эерэг эсвэл сөрөг байж болно.
Хэрэв Q-утга эерэг байвал урвал нь экзотермик байх ба үүнийг экзоэрги гэж нэрлэдэг. Тэр энерги гаргадаг. Хэрэв Q-утга сөрөг байвал урвал нь эндотермик буюу эндотермик юм. Ийм урвал нь энерги шингээх замаар явагддаг.
Цөмийн физикт ийм урвалыг Q-утга буюу анхны урвалж болон эцсийн бүтээгдэхүүний массын нийлбэрийн зөрүүгээр тодорхойлдог. Үүнийг энергийн нэгжээр хэмждэг MeV. А болон зорилтот А сум B болон b бүтээгдэхүүнд буух ердийн урвалыг авч үзье.
Үүнийг дараах байдлаар илэрхийлж болно: a + A → B + B, эсвэл бүр илүү нягт тэмдэглэгээгээр - A (a, b) B. Цөмийн урвалын энергийн төрөл ба энэ урвалын утгатомъёогоор тодорхойлно:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, энэ нь эцсийн бүтээгдэхүүний илүүдэл кинетик энергитэй давхцдаг:
Q=T эцсийн - T эхний
Бүтээгдэхүүний кинетик энерги нэмэгдсэн урвалын хувьд Q эерэг байна. Эерэг Q урвалыг экзотермик (эсвэл экзоген) гэж нэрлэдэг.
Эцсийн төлөвийн кинетик энерги нь анхны төлөвөөс их байдаг тул цэвэр энерги ялгардаг. Бүтээгдэхүүний кинетик энерги буурсан урвалын хувьд Q сөрөг байна.
Хагас задралын
Цацраг идэвхт бодисын хагас задралын хугацаа нь тогтмол үзүүлэлт юм. Энэ нь тодорхой хэмжээний бодис задрал, улмаар цацраг туяагаар хоёр дахин багасахад шаардагдах хугацааг хэмждэг.
Археологичид болон геологичид органик биетүүдийн хагас задралын хугацааг нүүрстөрөгчийн болзоо гэж нэрлэдэг процесст ашигладаг. Бета задралын үед нүүрстөрөгч 14 нь азот 14 болж хувирдаг. Үхэх үед организмууд нүүрстөрөгч үйлдвэрлэхээ больдог 14. Хагас задралын хугацаа тогтмол байдаг тул нүүрстөрөгч 14 ба азот 14-ийн харьцаа нь дээжийн насыг хэмждэг.
Анагаах ухааны салбарт цөмийн урвалын эрчим хүчний эх үүсвэр нь Кобальт 60-ын цацраг идэвхт изотопууд бөгөөд энэ нь дараа нь мэс заслын аргаар арилгах хорт хавдрыг агшаах, эсхүл үйл ажиллагаа явуулах боломжгүй хорт хавдрын эсийг устгах зорилгоор цацраг туяа эмчилгээнд ашигладаг.хавдар. Тогтвортой никель болж задрахдаа харьцангуй өндөр хоёр энерги ялгаруулдаг - гамма туяа. Өнөөдөр үүнийг электрон цацраг туяа эмчилгээний системээр сольж байна.
Зарим дээжээс изотопын хагас задралын хугацаа:
- хүчилтөрөгч 16 - хязгааргүй;
- уран 238 - 4,460,000,000 жил;
- уран 235 - 713,000,000 жил;
- нүүрстөрөгч 14 - 5730 жил;
- кобальт 60 - 5, 27 настай;
- мөнгө 94 - 0.42 секунд.
Радиокарбон болзоо
Маш тогтвортой хурдтайгаар тогтворгүй нүүрстөрөгч 14 аажмаар нүүрстөрөгч 12 болж задардаг. Эдгээр нүүрстөрөгчийн изотопуудын харьцаа нь дэлхийн хамгийн өндөр настай оршин суугчдын насыг харуулж байна.
Радио нүүрстөрөгчийн болзоо нь нүүрстөрөгч дээр суурилсан материалын насыг бодитойгоор тооцоолох арга юм. Дээжинд агуулагдах нүүрстөрөгчийн 14-ийн хэмжээг хэмжиж, олон улсын стандартын жишигтэй харьцуулах замаар насыг тооцоолж болно.
Радио нүүрстөрөгчийн онолын орчин үеийн ертөнцөд үзүүлэх нөлөө нь үүнийг 20-р зууны хамгийн чухал нээлтүүдийн нэг болгосон. Ургамал, амьтад амьдралынхаа туршид нүүрстөрөгчийн давхар ислээс нүүрстөрөгч 14-ийг шингээдэг. Тэд үхэхдээ шим мандалтай нүүрстөрөгч солилцохоо больж, нүүрстөрөгчийн 14-ийн агууламж цацраг идэвхт задралын хуулиар тодорхойлогдсон хурдаар буурч эхэлдэг.
Радио нүүрстөрөгчийн шинжилгээ нь үндсэндээ цацраг идэвхт бодисын үлдэгдлийг хэмжих арга юм. Дээжинд хичнээн хэмжээний нүүрстөрөгч 14 үлдсэнийг мэдэхийн тулд та олж мэдэх боломжтойүхсэн организмын нас. Радио нүүрстөрөгчийн шинжилгээний үр дүн нь тухайн организм хэзээ амьд байсныг харуулж байгааг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Радио нүүрстөрөгчийг хэмжих үндсэн аргууд
Өгөгдсөн дээж авагчийн пропорциональ тооцоолол, шингэний синтилляцийн тоолуур болон хурдасгуурын масс спектрометрт нүүрстөрөгч 14-ийг хэмжих гурван үндсэн арга байдаг.
Хийн пропорциональ тоолох нь тухайн дээжээс ялгарах бета тоосонцорыг тооцдог радиометрийн болзоо тогтоох түгээмэл арга юм. Бета тоосонцор нь радио нүүрстөрөгчийн задралын бүтээгдэхүүн юм. Энэ аргын хувьд нүүрстөрөгчийн дээжийг хийн пропорциональ тоолуураар хэмжихийн өмнө эхлээд нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хий болгон хувиргадаг.
Синтилляцын шингэн тоолох нь 1960-аад онд алдартай байсан радио нүүрстөрөгчийг тодорхойлох өөр нэг арга юм. Энэ аргын хувьд дээж нь шингэн хэлбэрээр байх ба сцинтиллятор нэмнэ. Энэхүү сцинтиллятор нь бета бөөмстэй харьцахдаа гэрлийн гялбаа үүсгэдэг. Дээжийн хоолойг хоёр фото үржүүлэгчийн хооронд дамжуулж, хоёр төхөөрөмж хоёуланд нь гэрлийн анивчсаныг бүртгэх үед тооллого хийгдэнэ.
Цөмийн шинжлэх ухааны ашиг тус
Цөмийн урвалын хуулиудыг анагаах ухаан, эрчим хүч, геологи, сансар огторгуй, байгаль орчныг хамгаалах зэрэг шинжлэх ухаан, технологийн өргөн хүрээний салбарт ашигладаг. Цөмийн анагаах ухаан ба радиологи нь цацраг туяа эсвэл цацраг идэвхт бодисыг оношлох, эмчлэх, урьдчилан сэргийлэх зорилгоор ашигладаг эмнэлгийн практик юм.өвчин. Радиологи нь бараг зуун жил ашиглагдаж байсан ч "цөмийн анагаах ухаан" гэсэн нэр томъёог 50 орчим жилийн өмнөөс хэрэглэж эхэлсэн.
Цөмийн эрчим хүч нь хэдэн арван жилийн турш ашиглагдаж ирсэн бөгөөд эрчим хүчний аюулгүй байдал, ялгаруулалт багатай эрчим хүч хэмнэх шийдлүүдийг эрэлхийлж буй орнуудын хувьд эрчим хүчний хамгийн хурдацтай хөгжиж буй сонголтуудын нэг юм.
Археологичид объектын насыг тодорхойлохын тулд олон төрлийн цөмийн аргыг ашигладаг. Турины бүрээс, Сөнөсөн тэнгисийн судар, Шарлеманы титэм зэрэг олдворуудыг цөмийн техник ашиглан он сар өдрийг тогтоож, баталгаажуулах боломжтой.
Цөмийн техникийг хөдөө аж ахуйн бүлгүүдэд өвчинтэй тэмцэхэд ашигладаг. Цацраг идэвхт эх үүсвэрийг уул уурхайн салбарт өргөнөөр ашигладаг. Жишээлбэл, тэдгээрийг дамжуулах хоолой, гагнуурын бөглөрөлтийг үл эвдэх сорилт, цоолбортой материалын нягтыг хэмжихэд ашигладаг.
Цөмийн шинжлэх ухаан нь байгаль орчныхоо түүхийг ойлгоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
