Reacción nuclear

Una reacción nuclear es el proceso de interacción de un núcleo atómico con otro núcleo o partícula elemental , que puede ir acompañada de un cambio en la composición y estructura del núcleo. La consecuencia de la interacción puede ser la fisión del núcleo , la emisión de partículas elementales o fotones . La energía cinética de las partículas recién formadas puede ser mucho mayor que la inicial, y se habla de liberación de energía por una reacción nuclear.

Rutherford observó por primera vez una reacción nuclear en 1917 , bombardeando los núcleos de los átomos de nitrógeno con partículas α . Se solucionó con la aparición de partículas ionizantes secundarias , que tienen un rango en el gas mayor que el rango de las partículas α y se identifican como protones . Posteriormente , se obtuvieron fotografías de este proceso utilizando una cámara de niebla .

Según el mecanismo de interacción, las reacciones nucleares se dividen en dos tipos:

Reacciones con la formación de un núcleo compuesto , este es un proceso de dos etapas que ocurre a una energía cinética no muy grande de colisión de partículas (hasta aproximadamente 10 MeV ).
Reacciones nucleares directas que tienen lugar en el tiempo nuclear necesario para que la partícula atraviese el núcleo. Este mecanismo se manifiesta principalmente a altas energías de las partículas bombardeadas.

Si, después de una colisión, los núcleos y partículas originales se conservan y no nacen nuevos, entonces la reacción es dispersión elástica en el campo de fuerzas nucleares , acompañada únicamente por una redistribución de la energía cinética y el momento de la partícula y el objetivo . núcleo, y se llama dispersión potencial [1] [2] .

Mecanismos de una reacción nuclear

Núcleo compuesto

La teoría del mecanismo de reacción con la formación de un núcleo compuesto fue desarrollada por Niels Bohr en 1936 [3] junto con la teoría del modelo de gota del núcleo y subyace a las ideas modernas sobre gran parte de las reacciones nucleares.

Según esta teoría, una reacción nuclear se desarrolla en dos etapas. Al principio, las partículas iniciales forman un núcleo intermedio (compuesto) en tiempo nuclear , es decir, el tiempo necesario para que la partícula atraviese el núcleo, aproximadamente igual a 10 −23 - 10 −21 s . En este caso, el núcleo compuesto siempre se forma en un estado excitado, ya que tiene un exceso de energía traída por la partícula al núcleo en forma de energía de enlace del nucleón en el núcleo compuesto y parte de su energía cinética , que es igual a la suma de la energía cinética del núcleo objetivo con un número de masa y la partícula en el centro de inercia del sistema . $A$

Energía de excitación

La energía de excitación de un núcleo compuesto formado por la absorción de un nucleón libre es igual a la suma de la energía de enlace del nucleón y parte de su energía cinética : ${\ estilo de visualización E ^ {*}}$ $E_{c}$ $E^{'}$

E^{*}=E_{c}+E'.

La mayoría de las veces, debido a la gran diferencia en las masas del núcleo y el nucleón , es aproximadamente igual a la energía cinética del nucleón que bombardea el núcleo. ${\ estilo de visualización E'}$ ${\ estilo de visualización E}$

En promedio, la energía de enlace es de 8 MeV, que varía según las características del núcleo compuesto resultante; sin embargo, para núcleos y nucleones objetivo dados, este valor es una constante. La energía cinética de la partícula que bombardea puede ser cualquier cosa, por ejemplo, cuando las reacciones nucleares son excitadas por neutrones, cuyo potencial no tiene barrera de Coulomb , el valor puede ser cercano a cero. Así, la energía de enlace es la energía mínima de excitación del núcleo compuesto [1] [2] . ${\ estilo de visualización E}$

Canales de reacción

La transición a un estado no excitado se puede llevar a cabo de varias formas, denominadas canales de reacción . Los tipos y el estado cuántico de las partículas incidentes y los núcleos antes del inicio de la reacción determinan el canal de entrada de la reacción. Una vez completada la reacción, la totalidad de los productos de reacción resultantes y sus estados cuánticos determina el canal de salida de la reacción. La reacción está totalmente caracterizada por canales de entrada y salida.

Los canales de reacción no dependen del método de formación del núcleo compuesto, lo que puede explicarse por la larga vida útil del núcleo compuesto, parece "olvidar" cómo se formó, por lo tanto, la formación y descomposición del núcleo compuesto pueden ser considerados como eventos independientes. Por ejemplo, puede formarse como un núcleo compuesto en estado excitado en una de las siguientes reacciones: ${}_{{13}}^{{27}}{\textrm {Al}}$

{}_{11}^{23}{\textrm {Na}}+{}_{2}^{4}{\textrm {Él}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{12}^{26}{\textrm {Mg}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{13}^{26}{\textrm {Al}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{13}^{27}{\textrm {Al}}+\gamma \rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}.

Posteriormente, bajo la condición de la misma energía de excitación, este núcleo compuesto puede decaer por el camino inverso de cualquiera de estas reacciones, con cierta probabilidad, independientemente de la historia del origen de este núcleo. La probabilidad de formación de un núcleo compuesto depende de la energía y del tipo de núcleo diana [2] .

Reacciones nucleares directas

El curso de las reacciones nucleares también es posible a través del mecanismo de interacción directa, básicamente, tal mecanismo se manifiesta a muy altas energías de las partículas bombardeantes, cuando los nucleones del núcleo pueden considerarse libres. Las reacciones directas difieren del mecanismo del núcleo compuesto, en primer lugar, por la distribución de los vectores de momento de las partículas producto con respecto al momento de las partículas bombardeadoras. En contraste con la simetría esférica del mecanismo del núcleo compuesto, la interacción directa se caracteriza por la dirección predominante de vuelo de los productos de reacción hacia adelante en relación con la dirección de movimiento de las partículas incidentes. Las distribuciones de energía de las partículas del producto en estos casos también son diferentes. La interacción directa se caracteriza por un exceso de partículas de alta energía. En colisiones con núcleos de partículas complejas (es decir, otros núcleos), son posibles los procesos de transferencia de nucleones de núcleo a núcleo o el intercambio de nucleones. Tales reacciones ocurren sin la formación de un núcleo compuesto y tienen todas las características de la interacción directa [1] .

Sección transversal de una reacción nuclear

La probabilidad de una reacción está determinada por la llamada sección transversal nuclear de la reacción. En el marco de referencia del laboratorio (donde el núcleo objetivo está en reposo), la probabilidad de interacción por unidad de tiempo es igual al producto de la sección transversal (expresada en unidades de área) y el flujo de partículas incidentes (expresado en el número de partículas que cruzan una unidad de área por unidad de tiempo). Si se pueden implementar varios canales de salida para un canal de entrada, entonces la relación de probabilidades de los canales de salida de reacción es igual a la relación de sus secciones transversales. En física nuclear, las secciones transversales de reacción se suelen expresar en unidades especiales: graneros , iguales a 10 −24 cm².

Rendimiento de la reacción

El número de veces que ocurre una reacción, dividido por el número de partículas que bombardean el objetivo , se denomina rendimiento de la reacción nuclear . Este valor se determina experimentalmente en mediciones cuantitativas. Dado que el rendimiento está directamente relacionado con la sección transversal de la reacción, la medición del rendimiento es esencialmente la medición de la sección transversal de la reacción [1] [2] . ${\ estilo de visualización \ nu / \ Phi}$

Leyes de conservación en reacciones nucleares

En las reacciones nucleares se cumplen todas las leyes de conservación de la física clásica . Estas leyes imponen restricciones a la posibilidad de una reacción nuclear. Incluso un proceso energéticamente favorable siempre resulta imposible si va acompañado de una violación de alguna ley de conservación. Además, existen leyes de conservación específicas del micromundo; algunos de ellos siempre se cumplen, por lo que se sabe (ley de conservación del número bariónico , número leptónico ); otras leyes de conservación ( isoespín , paridad , extrañeza ) solo suprimen ciertas reacciones, ya que no se cumplen para algunas de las interacciones fundamentales . Las consecuencias de las leyes de conservación son las llamadas reglas de selección , que indican la posibilidad o prohibición de ciertas reacciones.

Ley de conservación de la energía

Si son las energías totales de dos partículas antes y después de la reacción, entonces sobre la base de la ley de conservación de la energía: ${\displaystyle E_{1},\,E_{2},\,E_{3},\,E_{4))$

E_{1}+E_{2}=E_{3}+E_{4}.

Cuando se forman más de dos partículas, el número de términos en el lado derecho de esta expresión debe ser mayor, respectivamente. La energía total E de una partícula es igual a la suma de su masa (en energía equivalente) Mc 2 y la energía cinética K , por lo tanto:

M_{1}c^{2}+M_{2}c^{2}+K_{1}+K_{2}=M_{3}c^{2}+M_{4}c^{ 2}+K_{3}+K_{4}.

La diferencia entre las energías cinéticas totales de las partículas en la "salida" y la "entrada" de la reacción Q = ( K 3 + K 4 ) − ( K 1 + K 2 ) se denomina energía de reacción (o rendimiento energético de la reacción ). Satisface la condición:

M_{1}+M_{2}=M_{3}+M_{4}+Q/c^{2}.

El factor 1/ c 2 generalmente se omite cuando se calcula el balance de energía expresando las masas de las partículas en unidades de energía (o, a veces, energía en unidades de masa).

Si Q > 0, entonces la reacción se acompaña de liberación de energía libre y se denomina exoenergía , si Q < 0, entonces la reacción se acompaña de absorción de energía libre y se denomina endoenergética .

Es fácil ver que Q > 0 cuando la suma de las masas de las partículas del producto es menor que la suma de las masas de las partículas iniciales, es decir, la liberación de energía libre solo es posible reduciendo las masas de las partículas que reaccionan. partículas Y viceversa, si la suma de las masas de las partículas secundarias excede la suma de las masas de las iniciales, tal reacción solo es posible si se gasta una cierta cantidad de energía cinética para aumentar la energía restante, es decir, las masas de nuevas partículas. El valor mínimo de la energía cinética de una partícula incidente en el que es posible una reacción endoenergética se denomina energía de reacción umbral . Las reacciones endoenergéticas también se denominan reacciones de umbral porque no ocurren a energías de partículas por debajo del umbral.

Ley de conservación de la cantidad de movimiento

La cantidad de movimiento total de las partículas antes de la reacción es igual a la cantidad de movimiento total de los productos de la reacción de partículas. Si , , , son los vectores de cantidad de movimiento de dos partículas antes y después de la reacción, entonces ${\vec{p}}_{1}$ ${\vec{p}}_{2}$ ${\vec{p}}_{3}$ ${\vec{p}}_{4}$

{\vec {p}}_{1}+{\vec {p}}_{2}={\vec {p}}_{3}+{\vec {p}}_{4} .

Cada uno de los vectores se puede medir de forma experimental de forma independiente, como con un espectrómetro magnético . Los datos experimentales indican que la ley de conservación del momento es válida tanto en las reacciones nucleares como en los procesos de dispersión de micropartículas.

Ley de conservación del momento angular

El momento angular también se conserva en las reacciones nucleares. Como resultado de la colisión de micropartículas, solo se forman tales núcleos compuestos , cuyo momento angular es igual a uno de los valores posibles del momento obtenido al sumar los momentos mecánicos intrínsecos ( espines ) de las partículas y el momento de su movimiento relativo (momento orbital). Los canales de desintegración de un núcleo compuesto también pueden ser tales que se conserve el momento angular total (la suma de los momentos de espín y orbital).

Otras leyes de conservación

En las reacciones nucleares , se conserva una carga eléctrica : la suma algebraica de las cargas elementales antes de la reacción es igual a la suma algebraica de las cargas después de la reacción.
en las reacciones nucleares se conserva el número de nucleones , lo que en los casos más generales se interpreta como conservación del número bariónico . Si las energías cinéticas de los nucleones en colisión son muy altas, entonces son posibles las reacciones de producción de pares de nucleones. Dado que se asignan signos opuestos a los nucleones y antinucleones, la suma algebraica de los números bariónicos siempre permanece sin cambios en cualquier proceso.
en las reacciones nucleares, el número de leptones se conserva (más precisamente, la diferencia entre el número de leptones y el número de antileptones, ver número de leptones ).
en las reacciones nucleares que ocurren bajo la influencia de fuerzas nucleares o electromagnéticas , se conserva la paridad de la función de onda , que describe el estado de las partículas antes y después de la reacción. La paridad de la función de onda no se conserva en las transformaciones debido a interacciones débiles [1] .
en las reacciones nucleares impulsadas por interacciones fuertes , se conserva el espín isotópico . Las interacciones débiles y electromagnéticas no conservan los isospins.

Tipos de reacciones nucleares

Las interacciones nucleares con las partículas son de naturaleza muy diversa, sus tipos y las probabilidades de una reacción en particular dependen del tipo de partículas que bombardean, los núcleos objetivo, las energías de las partículas y los núcleos que interactúan y muchos otros factores.

Reacción de fisión nuclear

Una reacción de fisión nuclear es el proceso de dividir un núcleo atómico en dos (raramente tres) núcleos con masas similares, llamados fragmentos de fisión. Como resultado de la fisión, también pueden producirse otros productos de reacción: núcleos ligeros (principalmente partículas alfa ), neutrones y cuantos gamma . La fisión puede ser espontánea (espontánea) y forzada (como resultado de la interacción con otras partículas, principalmente con neutrones). Sin embargo, cabe señalar que los procesos espontáneos no suelen pertenecer a las reacciones nucleares, por lo que una reacción nuclear es únicamente fisión forzada (durante la captura de neutrones, fotofisión , etc.) La fisión de núcleos pesados es un proceso exoenergético, por lo que se libera una gran cantidad de energía en forma de energía cinética de los productos de reacción, así como de radiación.

La fisión nuclear sirve como fuente de energía en reactores nucleares y armas nucleares .

Reacción de fusión nuclear

Una reacción de fusión nuclear es el proceso de fusión de dos núcleos atómicos para formar un nuevo núcleo más pesado.

Además del nuevo núcleo, durante la reacción de fusión, por regla general, también se forman varias partículas elementales y (o) cuantos de radiación electromagnética .

Sin el suministro de energía externa, la fusión de los núcleos es imposible, ya que los núcleos cargados positivamente experimentan fuerzas de repulsión electrostática, esta es la llamada " barrera de Coulomb ". Para sintetizar núcleos, es necesario acercarlos a una distancia de aproximadamente 10 −15 m, en la cual la interacción fuerte excederá las fuerzas de repulsión electrostática. Esto es posible si la energía cinética de los núcleos que se aproximan supera la barrera de Coulomb.

Tales condiciones pueden darse en dos casos:

Si los núcleos atómicos (iones, protones o partículas α ), que tienen una alta energía cinética, se encuentran con otros núcleos atómicos en su camino. En la naturaleza, esto es posible, por ejemplo, en la colisión de partículas de gas ionizado, por ejemplo, en la ionosfera terrestre , con partículas de rayos cósmicos . Artificialmente, tales reacciones se realizan en cámaras de vacío utilizando fuentes naturales de partículas α de alta energía (primero en 1917, publicado en 1919, E. Rutherford ), así como aceleradores de partículas cargadas (primero en 1931 , R. Van de Graaff ) [4] e instalaciones como fusores o reactores Poliwell , en los que la energía cinética de las partículas cargadas es impartida por un campo eléctrico . De esta forma se obtuvieron las primeras reacciones de fusión nuclear artificial y muchos elementos químicos sintetizados artificialmente .

Si la materia se calienta a temperaturas extremadamente altas en una estrella o un reactor de fusión . De acuerdo con la teoría cinética , la energía cinética de las micropartículas en movimiento de una sustancia (átomos, moléculas o iones) se puede representar como temperatura y, por lo tanto, al calentar la sustancia, se puede lograr una reacción de fusión nuclear. En este caso, hablan de fusión termonuclear o reacción termonuclear.

Reacción termonuclear

Una reacción termonuclear es la fusión de dos núcleos atómicos con la formación de un nuevo núcleo más pesado, debido a la energía cinética de su movimiento térmico .

Para una reacción de fusión nuclear, los núcleos iniciales deben tener una energía cinética relativamente grande, ya que experimentan repulsión electrostática, ya que están cargados positivamente con el mismo nombre.

De acuerdo con la teoría cinética , la energía cinética de las micropartículas en movimiento de una sustancia (átomos, moléculas o iones) se puede representar como temperatura y, por lo tanto, al calentar la sustancia, se puede lograr una reacción de fusión nuclear.

Las reacciones nucleares de la nucleosíntesis natural en las estrellas proceden de manera similar.

Las reacciones de fusión entre los núcleos de los elementos ligeros hasta el hierro son exoenergéticas, lo que se asocia a la posibilidad de su uso en el sector energético , en el caso de solucionar el problema del control de la fusión termonuclear .

En primer lugar, entre ellos cabe destacar la reacción entre dos isótopos ( deuterio y tritio ) del hidrógeno, muy común en la Tierra, como consecuencia de la cual se forma helio y se libera un neutrón. La reacción se puede escribir como:

{}_{{1}}^{{2}}{\textrm {H}}(D)+{}_{{1}}^{{3}}{\textrm {H}}(T)\ flecha derecha {}_{{2}}^{{4}}{\textrm {Él}}+{}_{{0}}^{{1}}{\textrm {n}}

+ energía (17,6 MeV) .

La energía liberada (derivada del hecho de que el helio-4 tiene enlaces nucleares muy fuertes) se convierte en energía cinética, la mayor parte de la cual, 14,1 MeV, se lleva consigo al neutrón como una partícula más ligera [5] . El núcleo resultante está fuertemente ligado, razón por la cual la reacción es tan fuertemente exoenergética. Esta reacción se caracteriza por la barrera de Coulomb más baja y un alto rendimiento, por lo que es de particular interés para la fusión termonuclear controlada [1] .

La reacción termonuclear también se usa en armas termonucleares .

Reacción fotonuclear

Cuando se absorbe un rayo gamma, el núcleo recibe un exceso de energía sin cambiar su composición de nucleones, y un núcleo con un exceso de energía es un núcleo compuesto . Al igual que otras reacciones nucleares, la absorción de un cuántico gamma por el núcleo solo es posible si se cumplen las proporciones necesarias de energía y espín . Si la energía transferida al núcleo excede la energía de enlace del nucleón en el núcleo, entonces la descomposición del núcleo compuesto resultante ocurre más a menudo con la emisión de nucleones, principalmente neutrones . Tal desintegración da lugar a reacciones nucleares y que se denominan fotonucleares , y el fenómeno de emisión de nucleones en estas reacciones es el efecto fotoeléctrico nuclear . ${\ estilo de visualización (\ gamma, n)}$ ${\ estilo de visualización (\ gamma, p)}$

Otros

Registro de reacciones nucleares

Las reacciones nucleares se escriben en forma de fórmulas especiales en las que aparecen las designaciones de núcleos atómicos y partículas elementales .

La primera forma de escribir fórmulas para reacciones nucleares es similar a escribir fórmulas para reacciones químicas , es decir, la suma de las partículas iniciales se escribe a la izquierda, la suma de las partículas resultantes (productos de reacción) se escribe a la derecha y se coloca una flecha entre ellos.

Así, la reacción de captura radiativa de un neutrón por un núcleo de cadmio-113 se escribe de la siguiente manera:

{}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}+n\rightarrow {}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}+\gamma .

Vemos que el número de protones y neutrones a la derecha ya la izquierda sigue siendo el mismo ( el número de bariones se conserva). Lo mismo se aplica a las cargas eléctricas, números de leptones y otras cantidades ( energía , momento , momento angular , ...). En algunas reacciones en las que interviene la interacción débil , los protones pueden convertirse en neutrones y viceversa, pero su número total no cambia.

La segunda forma de escritura, más conveniente para la física nuclear , tiene la forma A (a, bcd...) B , donde A es el núcleo objetivo, a es la partícula bombardeadora (incluido el núcleo), b, c, d, ... son partículas emitidas (al incluir el núcleo), B es el núcleo residual. Los productos más livianos de la reacción se escriben entre paréntesis, los productos más pesados se escriben afuera. Entonces, la reacción de captura de neutrones anterior se puede escribir de la siguiente manera:

{}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}(n,\gamma ){}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}.

Las reacciones a menudo reciben el nombre de la combinación de partículas incidentes y emitidas entre paréntesis; entonces, un ejemplo típico de ( n , γ) -reacción está escrito arriba.

La primera conversión nuclear forzada de nitrógeno en oxígeno , que fue llevada a cabo por Rutherford , bombardeando nitrógeno con partículas alfa , está escrita como la fórmula

{}_{7}^{14}{\textrm {N))(\alpha,p){}_{8}^{17}{\textrm {O)),

donde está el núcleo del átomo de hidrógeno , protón .

p={}_{{1}}^{{1}}{\textrm{H}}

En la notación "química", esta reacción parece

{}_{7}^{14}{\textrm {N}}+\alpha \rightarrow p+{}_{8}^{17}{\textrm {O}}.

Notas

↑ 1 2 3 4 5 6 Klimov A. N. Física nuclear y reactores nucleares. - Moscú: Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
↑ 1 2 3 4 Bartolomey G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Fundamentos de la teoría y métodos de cálculo de reactores nucleares de potencia. - Moscú: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.
↑ N. Bor . Captura de neutrones y estructura del núcleo // UFN . — 1936 . - T. 14 , n. 4 , n º 4 . - S. 425-435 .
↑ Aceleradores de partículas - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
↑ Camino a la energía termonuclear

Enlaces

Reacciones nucleares - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
Reacciones nucleares , Enciclopedia de física
Schmitz, Taylor. Física nuclear . — Prensa de Pérgamo, 1973. - ISBN 0-08-016983-X .
Bertulani, Carlos. Física nuclear en pocas palabras. — Prensa de la Universidad de Princeton , 2007. — ISBN 978-0-691-12505-3 .
Suplee, Pesos Atómicos Curtos y Composiciones Isotópicas con Masas Atómicas Relativas . NIST (23 de agosto de 2009). (indefinido)

diccionarios y enciclopedias

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