Informácie

Hľadanie

Transmutácie, štiepenie a trieštenieTransmutácie, štiepenie a trieštenie

Transmutácie sú také jadrové reakcie, pri ktorých nukleónové a atómové čísla nového jadra sa len málo odlišujú od pôvodného terčového jadra, pričom ostreľujúcou časticou môže byť ľubovoľná častica (p, n, e, g, d, a). Napríklad reakcie:

(14.3.2.1)

Posledná z reakcií je príklad vzniku „umelo rádioaktívneho“ nuklidu, ktorý sa ďalej premieňa:

Do tejto kategórie reakcií môžeme zaradiť aj špeciálny prípad jadrovej reakcie – termojadrovú reakciu – ide o syntézu ľahkých jadier na ťažšie pri veľmi vysokých teplotách. Takéto procesy prebiehajú na Slnku a iných hviezdach. Existujú dva procesy v hviezdnych podmienkach: je to protón-protónový cyklus, kde priamymi zrážkami medzi protónmi vznikajú ťažšie jadrá a ich zrážkami jadrá hélia:

(14.3.2.2)

Druhý cyklus je uhlíkový – kde jadrá uhlíka absorbujú protóny až nakoniec uvoľnia a - časticu a stanú sa opäť jadrami uhlíka.

K termonukleárnej syntéze môže dochádzať len za podmienok extrémne vysokých teplôt a tlakov, aby mali jadrá dostatok energie na prekonanie Coulombovských odpudivých síl. Tieto podmienky sú vo vnútri hviezd a uvedené reakcie tam prebiehajú dosť často. Energia uvoľnená pri zlučovaní ľahkých jadier je termojadrová energia. Na Zemi uvedené cyklusy nemajú uplatnenie, ako zdroj termojadrovej energie na Zemi je výhodná napr. reakcia typu:

(14.3.2.3)

Táto reakcia je silne exoenergetická (17,6 MeV). Využitie reakcie predpokladá lacný zdroj deutéria – ktoré je v značnej miere obsiahnuté vo svetových moriach a oceánoch. Pri realizácii takejto reakcie sa využívajú úplne ionizované plyny s vysokou teplotou (vysokoteplotná plazma) obsahujúce deutérium alebo zmes deutéria a trícia a udržujú sa v silných magnetických poliach. Magnetické pole sa využíva ako „bezkontaktná“ nádoba, aby sa plazma neznečistila a neochladila. Zvládnutie technológie termojadrových reakcií, najmä získanie vysokej teploty dostatočne dlhý čas, je nádejou pre budúce využitie týchto reakcií ako zdrojov energie.

Štiepenie jadier je jadrová reakcia, pri ktorej sa ťažké jadro štiepi na dve ľahšie jadrá – úlomky štiepenia. Súčasne sa uvoľňujú aj ďalšie častice ako neutróny, g kvantá atď.

O.Hahn a F. Strassman v r. 1939 zistili, že ostreľovaním uránu neutrónmi vzniká prvok Ba zo sredu Mendelejevovej tabuľky a L. Maitnerová a O. Frisch interpretovali túto reakciu ako štiepnu reakciu na dve jadrá s približne rovnakou hmotnosťou, exoenergetickú – s uvoľnením energie asi 200 MeV. Pri typickom štiepení jadro uránu 235U absorbuje tepelný neutrón a vytvorí sa zložené jadro 236U vo vzbudenom energetickom stave. Toto jadro sa potom štiepi na dva fragmenty, ktoré rýchlo emitujú dva neutróny. Schéma takejto štiepnej reakcie je:

(14.3.2.4)

Proces štiepenia sa dá vysvetliť pomocou kvapkového modelu – jadro, ktoré sa v dôsledku zrážky s neutrónom excitovalo (na dobu ~10-14 s) sa deformuje, začne prudko kmitať až sa rozštiepi na dva štiepne úlomky. Keďže ťažké jadrá majú prebytok neutrónov v jadre, stredne ťažké úlomky vzniknuté pri rozštiepení sa týchto prebytočných neutrónov zbavujú a emitujú 2 – 3 neutróny a následné b - premeny upravujú pomer počtu ich neutrónov a protónov na stabilné hodnoty. Ťažké jadro sa štiepi vtedy, keď získa dostatočnú excitačnú energiu (~ 5 MeV), napr. 235U potrebuje len energiu, ktorú získa absorbciou neutrónu, 238U už potrebuje väčšiu energiu a podlieha štiepeniu len urýchlenými časticami s dostatočnou kinetickou energiou. K excitácii okrem bombardovania neutrónmi môže dôjsť aj ostreľovaním elektrónmi, protónmi, gama fotónmi.

Príklad 14.3.2.1 Pri štiepnej reakcii podľa rovnice (14.3.2.4) sú vzniknuté fragmenty veľmi nestabilné a až po niekoľkých b - premenách vznikne stabilný nuklid a to z izotopu 140Xe vznikne izotop 140Ce a z 94Sr vznikne izotop 94Zr. Napíšte sumárnu schému jadrovej štiepnej reakcie a vypočítajte energiu uvoľnenú pri štiepení. Atómové hmotnosti sú: mU = 235,0439 u, mCe = 139,9054 u, mZr = 93,9063 u, hmotnosť neutrónu: mn = 1,00867 u.

Riešenie: Schému jadrovej reakcie môžeme písať v tvare:

Rozdiel hmotností členov vstupujúcich do reakcie a členov vystupujúcich po reakcii je:

a odpovedajúca energia reakcie je:

Skutočnosť, že sa pri štiepení vytvára viac neutrónov ako ich je absorbovaných na vstupe reakcie, dáva predpoklad vzniku reťazovej reakcie. Každý uvoľnený neutrón môže spôsobiť ďalšie štiepenie. Ak vyvoláme štiepenie u malého počtu jadier, má takéto štiepenie možnosť rozšíriť sa už bez ďalšieho zásahu zvonku a vznikne reťazová reakcia. Táto reakcia môže byť rýchla - ak neobmedzujeme rozmnoženie neutrónov. Za krátky čas sa uvoľní obrovská energia, čo má za následok explóziu – tento proces prebieha pri výbuchu jadrovej bomby. Ak vonkajším zásahom obmedzujeme počet vzniknutých neutrónov a reakcia prebieha regulovane hovoríme o riadenej reťazovej reakcii. Prvá kontrolovateľná reťazová reakcia bola realizovaná v jadrovom reaktore r. 1942 v Chicagu pod vedením E. Fermiho.

Trieštenie atómových jadier nastáva vtedy, ak energia ostreľujúcich častíc je veľmi vysoká. Na výstupe reakcie sú potom spŕšky nukleónov, jadrá izotopov ľahkých prvkov, mezóny, hyperóny a pod. Štúdium interakcií pri vysokých energiách je dôležité aj z hľadiska fyzikálnych aplikácií – napr. pri výpočte radiačnej ochrany a radiačnej stability zariadení a materiálov - pri urýchľovačoch a pri kozmických letoch.