Nuklearna reakcija

Nuklearna reakcija je reakcija u kojoj učestvuju jezgra atoma. Reakcija pri tome ne mora da bude samo između dve čestice. Može ih biti i više, ali se time smanjuje verovatnoća sudara. Ova transformacija je spontana u slučaju radioaktivnog raspada, dok je u slučaju veštačke nuklearne reakcije potrebna inicirajuća čestica. Ukoliko se čestice sudare i odvoje bez promena, proces se naziva elastični sudar.

Karakteristike nuklearnih reakcija

Nuklearna reakcija se razlikuje od hemijske reakcije iz više razloga. Prilikom nuklearne reakcije nastaju novi elementi i ovakva reakcija je uvek ireverzibilna. Njena brzina ne zavisi od spoljašnjih fizičkih i hemijskih uticaja, a energija koja se oslobađa je i do milion puta veća od one koja se oslobađa prilikom hemijskih reakcija.

Prirodna radioaktivnost

Prilikom radioaktivnog raspada jedan hemijski element se pretvara u drugi uz emisiju zračenja (α, β i γ) i takav elemenat je radioaktivan. On se raspada spontano.

Jednačina nuklearne reakcije

Nuklearna reakcija može da se napiše pomoću jednačine. Svaka čestica koja učestvuje u reakciji može da se predstavi hemijskim simbolom, atomskim brojem i atomskom masom. Neutron se označava slovom „n“, a proton „p“ ili „¹H“.

Jednačina je tačna jedino u slučaju kada su sume atomskih masa sa obe strane jednake i kada su sume atomskih brojeva sa obe strane jednake. Primer:

{}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{1}^{2}\mathrm {H} \rightarrow {}_{2}^{4}\mathrm {He} \ +\ ?

.

Kako bi sume bile jednake, drugo jezgro na desnoj strani mora da ima atomski broj 2 i atomsku masu 4, zato je to Helijum-4. Potpuna jednačina bi izgledala ovako:

{}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{1}^{2}\mathrm {H} \rightarrow {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{2}^{4}\mathrm {He}

,

ili jednostavnije:

{}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{1}^{2}\mathrm {H} \rightarrow 2\ {}_{2}^{4}\mathrm {He}

.

Ukoliko se prilikom pretvaranja jednog elementa u drugi emituje α-čestica, dobija se element čiji je atomski broj manji za dva, te maseni za četiri. Dakle, novonastali element se nalazi dva mesta ispred početnog u periodnom sistemu. Opšta jednačina je:

{}_{Z}^{A}\mathrm {E} \rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}\mathrm {E} +{}_{2}^{4}\mathrm {He}

Emitovanjem β-čestice, nastaje element koji se nalazi na mestu ispred polaznog u periodnom sistemu, sa tim da ima jednaku atomsku masu, pa je on izobar polaznog elementa. Jednačina je:

{}_{Z}^{A}\mathrm {E} \rightarrow {}_{Z+1}^{A}\mathrm {E} +\mathrm {e} {}^{-}

Ovu zakonitost pronašli su 1913. godine Sodi, Fajans i Rasel i poznata je kao Sodi-Fajansov zakon radioaktivnog pomaka. Obično je raspadanjem prvobitnog radioaktivnog elementa novonastali elemenat i sam radioaktivan i on nastavlja dalje da se raspada. Na taj način nastaje čitav niz radioaktivnih elemenata. Radioaktivni preparat će pri tome sadržavati sve te elemente, sa tim da je najveća količina u tom preparatu onih međuelemenata koji su stabilniji. Odnos svih tih međuelemenata je tačno određen i to se naziva radioaktivna ravnoteža ili ravnoteža zračenja.

Energija

Energija koja se oslobodi prilikom nuklearne reakcije ima tri oblika:

kinetička energija produkta reakcije
emisija fotona s visokom energijom, nazvana gama zraci
energija može da ostane u nukleusu, u slučaju kada je jezgro u ekscitovanom energetskom nivou

Kada je produkt jezgro metastabilno (ekscitovano) označava se zvezdicom (*) pored njegovog atomskog broja. Ova energija se uglavnom oslobađa nuklearnim raspadom. Mala količina energije može da se oslobodi i u obliku X zraka.

Radioaktivno zračenje apsorbuje se u medijumu kroz koji prolazi stvarajući u njemu jone i elektrone. Apsorbovana energija je doza zračenja i meri se u grejima (oznaka: Gy), a zastarela jedinica je rad (oznaka: rd) koja iznosi 10⁻² greja. Doza zračenja se meri dozimetrima. Stara jedinica za ekspoziciju je rendgen (oznaka: R) i to je količina γ-zračenja koja u 1 cm³ suvog vazduha proizvede količinu jona koja ima naelektrisanje od 3,33 • 10⁻¹⁰ kolumba, odnosno 2,08 • 10⁹ naelektrisanja elektrona.

Istorijat

Raderford je prvi, 1919. godine dokazao postojanje nuklearne reakcije tako što je azot izložio radioaktivnom uticaju radijuma. Tako je počela da se razvija nuklearna hemija. Nakon toga su usledile nuklearne reakcije istog tipa, odnosno bomardovanje α-česticama atomskih jezgara. Međutim, zbog velikog pozitivnog naelektrisanja ovih čestica, one nisu mogle da izazovu ove reakcije kod teških atoma, pa su pronađene čestice manjeg naelektrisanja, a veće energije.

Primena

Nauke koje proučavaju nuklearne reakcije su nuklearna fizika, nuklearna hemija i nuklearna tehnologija. Pravi značaj otkrića ovih nauka još uvek se sagledava. Jedan od najznačajnijih aspekata je dobijanje nuklearne energije, koja igra važnu ulogu u industriji i svim drugim oblastima ljudskih delatnosti, ali je i bitan zagađivač prirode.

Literatura

Filipović I. & Lipanović, S. (1982.) Opća i anorganska kemija. Školska knjiga: Zagreb.

Vanjske veze

Nuklearne reakcije