Reaksi Nuklir (NR) - proses di mana inti atom berubah dengan menghancurkan atau menggabungkan dengan inti atom lain. Dengan demikian, itu harus mengarah pada transformasi setidaknya satu nuklida menjadi yang lain. Kadang-kadang, jika inti berinteraksi dengan inti atau partikel lain tanpa mengubah sifat nuklida apa pun, prosesnya disebut sebagai hamburan nuklir. Mungkin yang paling menonjol adalah reaksi fusi unsur-unsur ringan, yang mempengaruhi produksi energi bintang dan matahari. Reaksi alami juga terjadi dalam interaksi sinar kosmik dengan materi.
Reaktor nuklir alami
Reaksi yang dikendalikan manusia yang paling menonjol adalah reaksi fisi yang terjadi di reaktor nuklir. Ini adalah perangkat untuk memulai dan mengendalikan reaksi berantai nuklir. Tetapi tidak hanya reaktor buatan. Reaktor nuklir alami pertama di dunia ditemukan pada tahun 1972 di Oklo di Gabon oleh fisikawan Prancis Francis Perrin.
Kondisi di mana energi alami reaksi nuklir dapat dihasilkan telah diprediksi pada tahun 1956 oleh Paul Kazuo Kuroda. Satu-satunya tempat yang diketahui didunia terdiri dari 16 situs di mana reaksi mandiri jenis ini terjadi. Ini diyakini telah terjadi sekitar 1,7 miliar tahun yang lalu dan berlanjut selama beberapa ratus ribu tahun, sebagaimana dibuktikan oleh isotop xenon (gas produk fisi) dan berbagai rasio U-235/U-238 (pengayaan uranium alami).
Fissi nuklir
Plot energi ikat menunjukkan bahwa nuklida dengan massa lebih besar dari 130 a.m.u. harus secara spontan terpisah satu sama lain untuk membentuk nuklida yang lebih ringan dan lebih stabil. Secara eksperimental, para ilmuwan telah menemukan bahwa reaksi fisi spontan dari unsur-unsur reaksi nuklir hanya terjadi untuk nuklida terberat dengan nomor massa 230 atau lebih. Bahkan jika ini dilakukan, itu sangat lambat. Waktu paruh untuk pembelahan spontan 238 U, misalnya, adalah 10-16 tahun, atau sekitar dua juta kali lebih lama dari usia planet kita! Reaksi fisi dapat diinduksi dengan menyinari sampel nuklida berat dengan neutron termal lambat. Misalnya, ketika 235 U menyerap neutron termal, ia pecah menjadi dua partikel yang massanya tidak sama dan melepaskan rata-rata 2,5 neutron.
Penyerapan neutron 238 U menginduksi getaran di dalam nukleus, yang mengubah bentuknya hingga pecah menjadi fragmen, seperti setetes cairan dapat pecah menjadi tetesan yang lebih kecil. Lebih dari 370 nuklida anak dengan massa atom antara 72 dan 161 pagi. terbentuk selama fisi oleh neutron termal 235U, termasuk dua produk,ditunjukkan di bawah ini.
Isotop reaksi nuklir, seperti uranium, mengalami fisi terinduksi. Tetapi satu-satunya isotop alami 235 U hadir dalam kelimpahan hanya 0,72%. Fisi yang diinduksi dari isotop ini melepaskan rata-rata 200 MeV per atom, atau 80 juta kilojoule per gram 235 U. Daya tarik fisi nuklir sebagai sumber energi dapat dipahami dengan membandingkan nilai ini dengan 50 kJ/g yang dilepaskan saat alami gas terbakar.
Reaktor nuklir pertama
Reaktor nuklir buatan pertama dibangun oleh Enrico Fermi dan rekan kerja di bawah stadion sepak bola Universitas Chicago dan mulai beroperasi pada 2 Desember 1942. Reaktor ini, yang menghasilkan daya beberapa kilowatt, terdiri dari tumpukan 385 ton blok grafit yang ditumpuk berlapis-lapis di sekitar kisi kubik 40 ton uranium dan uranium oksida. Fisi spontan 238 U atau 235 U dalam reaktor ini menghasilkan sangat sedikit neutron. Tetapi ada cukup uranium, jadi salah satu neutron ini menginduksi pembelahan inti 235 U, sehingga melepaskan rata-rata 2,5 neutron, yang mengkatalisis pembelahan inti 235 U tambahan dalam reaksi berantai (reaksi nuklir).
Jumlah bahan fisil yang dibutuhkan untuk mempertahankan reaksi berantai disebut massa kritis. Panah hijau menunjukkan pemecahan inti uranium dalam dua fragmen fisi yang memancarkan neutron baru. Beberapa dari neutron ini dapat memicu reaksi fisi baru (panah hitam). Beberapaneutron dapat hilang dalam proses lain (panah biru). Panah merah menunjukkan neutron tertunda yang datang belakangan dari fragmen fisi radioaktif dan dapat memicu reaksi fisi baru.
Penunjukan reaksi nuklir
Mari kita lihat sifat dasar atom, termasuk nomor atom dan massa atom. Nomor atom adalah jumlah proton dalam inti atom, dan isotop memiliki nomor atom yang sama tetapi berbeda dalam jumlah neutron. Jika inti awal dilambangkan dengan a dan b, dan inti produk dilambangkan dengan c dan d, maka reaksi tersebut dapat direpresentasikan dengan persamaan yang dapat Anda lihat di bawah ini.
Reaksi nuklir manakah yang menghilangkan partikel ringan daripada menggunakan persamaan lengkap? Dalam banyak situasi, bentuk kompak digunakan untuk menggambarkan proses tersebut: a (b, c) d setara dengan a + b menghasilkan c + d. Partikel cahaya sering disingkat: biasanya p adalah singkatan dari proton, n untuk neutron, d untuk deuteron, untuk alfa atau helium-4, untuk beta atau elektron, untuk foton gamma, dll.
Jenis reaksi nuklir
Meskipun jumlah kemungkinan reaksi seperti itu sangat besar, mereka dapat diurutkan berdasarkan jenisnya. Sebagian besar reaksi ini disertai dengan radiasi gamma. Berikut beberapa contohnya:
- hamburan elastis. Terjadi ketika tidak ada energi yang ditransfer antara inti target dan partikel yang datang.
- hamburan tidak elastis. Terjadi ketika energi ditransfer. Perbedaan energi kinetik kekal dalam nuklida tereksitasi.
- Tangkap reaksi. keduanya dibebankan danpartikel netral dapat ditangkap oleh inti. Ini disertai dengan emisi sinar-. Partikel reaksi nuklir dalam reaksi penangkapan neutron disebut nuklida radioaktif (radioaktivitas terinduksi).
- Reaksi transmisi. Penyerapan partikel, disertai dengan emisi satu atau lebih partikel, disebut reaksi transfer.
- Reaksi fisi. Fisi nuklir adalah reaksi di mana inti atom dipecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (inti yang lebih ringan). Proses fisi seringkali menghasilkan neutron dan foton bebas (dalam bentuk sinar gamma) dan melepaskan energi dalam jumlah besar.
- Reaksi fusi. Terjadi ketika dua atau lebih inti atom bertabrakan dengan kecepatan yang sangat tinggi dan bergabung membentuk inti atom jenis baru. Partikel nuklir fusi deuterium-tritium sangat menarik karena potensinya untuk menyediakan energi di masa depan.
- Reaksi membelah. Terjadi ketika inti dipukul oleh partikel dengan energi dan momentum yang cukup untuk melumpuhkan beberapa fragmen kecil atau memecahnya menjadi banyak fragmen.
- Reaksi penataan ulang. Ini adalah penyerapan partikel, disertai dengan emisi satu atau lebih partikel:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Dia (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Reaksi penataan ulang yang berbeda mengubah jumlah neutron dan jumlah proton.
peluruhan nuklir
Reaksi nuklir terjadi ketika atom yang tidak stabil kehilangan energi melaluiradiasi. Ini adalah proses acak pada tingkat atom tunggal, karena menurut teori kuantum tidak mungkin untuk memprediksi kapan sebuah atom akan meluruh.
Ada banyak jenis peluruhan radioaktif:
- Radioaktivitas alfa. Partikel alfa terdiri dari dua proton dan dua neutron yang terikat bersama dengan partikel yang identik dengan inti helium. Karena massa dan muatannya yang sangat besar, ia mengionisasi material dengan kuat dan memiliki jangkauan yang sangat pendek.
- Radioaktivitas beta. Ini adalah energi tinggi, positron berkecepatan tinggi, atau elektron, yang dipancarkan dari jenis inti radioaktif tertentu, seperti kalium-40. Partikel beta memiliki jangkauan penetrasi yang lebih besar daripada partikel alfa, tetapi masih jauh lebih kecil dari sinar gamma. Partikel beta yang dikeluarkan adalah bentuk radiasi pengion, juga dikenal sebagai sinar beta reaksi berantai nuklir. Produksi partikel beta disebut peluruhan beta.
- Radioaktivitas gamma. Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetik dengan frekuensi sangat tinggi dan oleh karena itu merupakan foton berenergi tinggi. Mereka terbentuk ketika inti meluruh saat mereka berpindah dari keadaan energi tinggi ke keadaan lebih rendah yang dikenal sebagai peluruhan gamma. Sebagian besar reaksi nuklir disertai dengan radiasi gamma.
- Emisi neutron. Emisi neutron adalah jenis peluruhan radioaktif dari inti yang mengandung neutron berlebih (terutama produk fisi), di mana neutron dikeluarkan dari inti. Tipe iniradiasi memainkan peran kunci dalam pengendalian reaktor nuklir karena neutron ini tertunda.
Energi
Q-nilai energi reaksi nuklir adalah jumlah energi yang dilepaskan atau diserap selama reaksi. Ini disebut keseimbangan energi, atau nilai-Q reaksi. Energi ini dinyatakan sebagai selisih antara energi kinetik produk dan jumlah reaktan.
Pandangan umum reaksi: x + X Y + y + Q……(i) x + X Y + y + Q……(i), di mana x dan X adalah reaktan, dan y dan Y adalah produk reaksi, yang dapat menentukan energi reaksi nuklir, Q adalah keseimbangan energi.
Q-nilai NR mengacu pada energi yang dilepaskan atau diserap dalam suatu reaksi. Ini juga disebut keseimbangan energi NR, yang bisa positif atau negatif tergantung pada sifatnya.
Jika nilai Q positif, reaksi akan menjadi eksotermik, disebut juga eksoergik. Dia melepaskan energi. Jika nilai Q negatif, reaksinya endoergik, atau endotermik. Reaksi tersebut dilakukan dengan menyerap energi.
Dalam fisika nuklir, reaksi seperti itu didefinisikan oleh nilai Q, sebagai perbedaan antara jumlah massa reaktan awal dan produk akhir. Ini diukur dalam satuan energi MeV. Pertimbangkan reaksi khas di mana proyektil a dan target A menghasilkan dua produk B dan b.
Ini dapat dinyatakan seperti ini: a + A → B + B, atau bahkan dalam notasi yang lebih ringkas - A (a, b) B. Jenis energi dalam reaksi nuklir dan arti dari reaksi iniditentukan dengan rumus:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, yang bertepatan dengan kelebihan energi kinetik dari produk akhir:
Q=T akhir - T awal
Untuk reaksi di mana ada peningkatan energi kinetik produk, Q positif. Reaksi Q positif disebut eksotermik (atau eksogen).
Ada pelepasan energi bersih, karena energi kinetik pada keadaan akhir lebih besar daripada pada keadaan awal. Untuk reaksi di mana penurunan energi kinetik produk diamati, Q negatif.
Half-life
Waktu paruh zat radioaktif adalah konstanta karakteristik. Ini mengukur waktu yang diperlukan untuk jumlah materi yang berkurang setengahnya melalui peluruhan dan oleh karena itu radiasi.
Arkeolog dan ahli geologi menggunakan waktu paruh hingga saat ini pada objek organik dalam proses yang dikenal sebagai penanggalan karbon. Selama peluruhan beta, karbon 14 diubah menjadi nitrogen 14. Pada saat kematian, organisme berhenti memproduksi karbon 14. Karena waktu paruhnya konstan, rasio karbon 14 terhadap nitrogen 14 memberikan ukuran usia sampel.
Dalam bidang medis, sumber energi reaksi nuklir adalah isotop radioaktif Cob alt 60, yang telah digunakan untuk terapi radiasi untuk mengecilkan tumor yang nantinya akan diangkat melalui pembedahan, atau untuk membunuh sel kanker yang tidak dapat dioperasitumor. Ketika meluruh menjadi nikel yang stabil, ia memancarkan dua energi yang relatif tinggi - sinar gamma. Hari ini digantikan oleh sistem radioterapi berkas elektron.
Waktu paruh isotop dari beberapa sampel:
- oksigen 16 - tak terbatas;
- uranium 238 - 4.460.000.000 tahun;
- uranium 235 - 713.000.000 tahun;
- karbon 14 - 5.730 tahun;
- cob alt 60 - 5, 27 tahun;
- perak 94 - 0,42 detik.
Tanggal radiokarbon
Pada tingkat yang sangat stabil, karbon 14 yang tidak stabil secara bertahap meluruh menjadi karbon 12. Rasio isotop karbon ini mengungkapkan usia beberapa penghuni tertua Bumi.
Tanggal radiokarbon adalah metode yang memberikan perkiraan objektif usia bahan berbasis karbon. Usia dapat diperkirakan dengan mengukur jumlah karbon 14 yang ada dalam sampel dan membandingkannya dengan referensi standar internasional.
Dampak penanggalan radiokarbon di dunia modern telah menjadikannya salah satu penemuan paling signifikan di abad ke-20. Tumbuhan dan hewan mengasimilasi karbon 14 dari karbon dioksida sepanjang hidup mereka. Ketika mereka mati, mereka berhenti bertukar karbon dengan biosfer, dan kandungan karbon 14 mereka mulai menurun pada tingkat yang ditentukan oleh hukum peluruhan radioaktif.
Tanggal radiokarbon pada dasarnya adalah metode untuk mengukur sisa radioaktivitas. Mengetahui berapa banyak karbon 14 yang tersisa dalam sampel, Anda dapat mengetahuinyaumur organisme saat mati. Perlu diperhatikan bahwa hasil penanggalan radiokarbon menunjukkan saat organisme tersebut masih hidup.
Metode dasar untuk mengukur radiokarbon
Ada tiga metode utama yang digunakan untuk mengukur karbon 14 dalam perhitungan proporsional sampler tertentu, pencacah kilau cair dan spektrometri massa akselerator.
Penghitungan gas proporsional adalah teknik penanggalan radiometrik umum yang memperhitungkan partikel beta yang dipancarkan oleh sampel tertentu. Partikel beta adalah produk peluruhan radiokarbon. Dalam metode ini, sampel karbon diubah terlebih dahulu menjadi gas karbon dioksida sebelum diukur dalam meter proporsional gas.
Penghitungan cairan kilau adalah metode lain untuk penanggalan radiokarbon yang populer di tahun 1960-an. Dalam metode ini, sampel dalam bentuk cair dan sintilator ditambahkan. Scintillator ini menciptakan kilatan cahaya ketika berinteraksi dengan partikel beta. Tabung sampel dilewatkan di antara dua pengganda foto dan ketika kedua perangkat mendaftarkan kilatan cahaya, penghitungan dilakukan.
Manfaat Ilmu Nuklir
Hukum reaksi nuklir digunakan dalam berbagai cabang ilmu pengetahuan dan teknologi, seperti kedokteran, energi, geologi, ruang angkasa, dan perlindungan lingkungan. Kedokteran nuklir dan radiologi adalah praktik medis yang melibatkan penggunaan radiasi atau radioaktivitas untuk diagnosis, pengobatan, dan pencegahan.penyakit. Sementara radiologi telah digunakan selama hampir satu abad, istilah "kedokteran nuklir" mulai digunakan sekitar 50 tahun yang lalu.
Tenaga nuklir telah digunakan selama beberapa dekade dan merupakan salah satu pilihan energi dengan pertumbuhan tercepat bagi negara-negara yang mencari keamanan energi dan solusi hemat energi emisi rendah.
Arkeolog menggunakan berbagai metode nuklir untuk menentukan usia objek. Artefak seperti Kain Kafan Turin, Gulungan Laut Mati, dan Mahkota Charlemagne dapat diberi tanggal dan diautentikasi menggunakan teknik nuklir.
Teknik nuklir digunakan dalam komunitas pertanian untuk melawan penyakit. Sumber radioaktif banyak digunakan dalam industri pertambangan. Misalnya, mereka digunakan dalam pengujian non-destruktif dari penyumbatan pada pipa dan las, dalam mengukur kepadatan material yang dilubangi.
Ilmu nuklir berperan penting dalam membantu kita memahami sejarah lingkungan kita.
