Teme
Da li ste znali?
Ernest Rutherford smatra se ocem nuklearne fizike. Otkio je da atomi imaju malu nabijenu jezgru što je dovelo do razvoja Rutherfordovog modela atoma, koji je pak kasnije evoluirao u Bohrov model.
Imteresantno je da je Niels Bohr bio jedan od Rutherfordovih studenata.
Prva nuklearna reakcija E. Rutheforda iz 1919. godine
Tražilica
Uvod u nuklearne reakcije
Transformacije jezgara atoma izazvane vanjskim utjecajima nazivamo nuklearnim reakcijama. Općenito, nuklearnu reakciju možemo napisati u obliku
a + X → b + Y ili X (a,b) Y
gdje znak a označuje česticu koja izaziva reakciju u jezgri X. Reakcijom nastaje jezgra Y uz emisiju čestice b.
Nuklearne reakcije definiramo kao one interakcije između atomske jezgre i subatomske čestice ili jezgre drugog atoma (ili raspad same atomske jezgre), koje rezultiraju stvaranjem dvaju ili više jezgri atoma odnosno subatomskih čestica. Prvu nuklearnu reakciju ostvario je E. Rutherford 1919. godine bombardirajući jezgre dušika α-česticama, a opaženi su protoni velikih energija. Odvijanje reakcije simbolički opisuje relacija:
4He + 14N → 170 + 1H ili 14N(α,p)170
(početno je stanje na lijevoj strani, a konačno na desnoj strani).
Općenito, nuklearnu reakciju možemo napisati u obliku
a + X → b + Y ili X (a,b) Y
gdje znak a označuje česticu koja izaziva reakciju u jezgri X. Reakcijom nastaje jezgra Y uz emisiju čestice b.
Kod nekih nuklearnih reakcija dolazi do oslobađanja energije (tzv. egzoergične reakcije), a kod nekih nuklearnih reakcija potrebno je uložiti energiju da bi se ona dogodila (tzv. endoergične reakcije). Kod nuklearnih reakcija očuvane su neke fizikalne veličine, npr. energija.
Zakon očuvanja energije u gore navedenoj općenitoj nuklearnoj reakciji imat će oblik:
mac2 + MXc2 + Ekp = mbc2 + MYc2 + Ekk
gdje su MX, MY, ma i mb mase jezgara i čestica, Ekp i Ekk početna i konačna kinetička energija, c brzina svjetlosti. Razlika između konačne i početne kinetičke energije naziva se Q-vrijednošću reakcije, tj. Q = Ekk-Ekp. Ako je ona pozitivna, reakcije su egzoergične, tj. u njima se oslobađa energija. Zakon očuvanja energije pokazuje da se dio mase pretvara u energiju, tako da se za Q-vrijednost reakcije može pisati:
Q = (MX+ma)c2-(MY+mb)c2.
Za energetske primjene interesantne su one nuklearne reakcije kod kojih se oslobađaju značajne količine energije. Primjeri takvih nuklearnih reakcija su reakcije fisije i fuzije.
Osim općih zakona očuvanja fizike, kao što su npr. zakon očuvanja energije, zakon očuvanja količine gibanja, zakon očuvanja momenta količine gibanja, postoje i specifični zakoni očuvanja u nuklearnim transformacijama. Ti se zakoni očuvanja ne manifestiraju u makroskopskim i atomskim procesima u kojima se ne mijenjaju jezgre atoma.
U nuklearnim reakcijama dodatni zakoni očuvanja ovise o razini promjene jezgre atoma pri toj nuklearnoj reakciji.
Ako se pri nuklearnim reakcijama ne zbivaju promjene osnovnih sastojaka jezgre, protona i neutrona, tada vrijedi zakon očuvanja električnog naboja i zakon očuvanja ukupnog broja nukleona.
Dolazi li do mijenjanja i samih konstituenata jezgre procesima beta-raspada, kojima
proton može prijeći u
neutron ili neutron u proton, tada vrijedi i zakon očuvanja lakih čestica, tzv. leptona (elektrona, pozitrona ili neutrina, antineutrina).
Posljedica je djelovanja tih dodatnih zakona da se odgovarajućim potroškom energije može proizvesti par
elektron-
pozitron, ali ne samo jedna od tih čestica. Pozitron je antičestica elektrona, pa stvaranjem para ni ukupan broj lakih čestica, niti ukupan naboj nije promijenjen.
U reakcijama na vrlo visokim energijama u kojima nastaju i nove čestice srednje mase tzv. mezoni, odnosno čestice mase jednake ili slične masi nukleona, djeluju i drugi zakoni očuvanja. Međutim, oni ne djeluju neposredno na niskoenergetske nuklearne reakcije važne u nuklearnoj energetici.
U nuklearnoj se fizici vjerojatnost da se određena interakcija dogodi, iskazuje udarnim presjekom za dotičnu reakciju. Postoje općenito dva udarna presjeka. Jedan je totalni (ili ukupni)
udarni presjek, poznat i kao mikroskopski, koji govori o ukupnoj vjerojatnosti interakcije, a drugi je diferencijalni udarni presjek koji sadrži dodatne informacije o vjerojatnosti interakcije u određeni smjer. Totalni udarni presjek jednak je vjerojatnosti interakcije između jedne čestice upadnog snopa i jedne čestice u meti, a dimenzija koja mu je pridružena je površina. Jedinica je m2, odnosno prikladnija jedinica u nuklearnoj fizici je jedan
barn = 1 b = 10-28m2. Diferencijalni udarni presjek dσ/dΩ jednak je vjerojatnosti interakcije jedne upadne čestice po jednoj čestici u meti u određeni smjer definiran kutem θ, po jediničnom prostornom kutu dΩ.