Čo sú jadrové reakcie — definícia, štiepenie, fúzia a rádioaktivita

Prehľad jadrových reakcií: definícia, mechanizmy štiepenia a fúzie, rádioaktivita, využitie v reaktoroch a vo vesmíre — jasné vysvetlenie a praktické príklady.

Jadrová reakcia je proces, pri ktorom sa mení zloženie alebo energia atómového jadra, často pri účasti dvoch alebo viacerých jadier alebo častíc. Pri jadrových reakciách dochádza k preusporiadaniu nukleónov (protonov a neutrónov) a často aj k uvoľneniu alebo príjmu značného množstva energie v zmysle Einsteinovej rovnice E = mc². Základné zákony zachovania (energia, hybnosť, náboj, nukleónové číslo a nukleónové čísla počiatočných a výsledných častíc v rámci jednotlivých typov reakcií) platia stále a určujú možné priebehy reakcií. Najbežnejšie druhy jadrových reakcií sú:

1. Jadrová fúzia, reakcia, pri ktorej sa zrážajú dve alebo viac častíc. Výsledkom sú nové častice, ktoré sú odlišné od prvých.

   Pri fúzii sa zvyčajne spájajú ľahké jadrá (napríklad deutérium a trícium) za vzniku ťažšieho jadra a veľkého uvoľnenia energie. Na prelomenie odpudivého Coulombovho potenciálu medzi kladne nabitými jadrami je potrebná vysoká kinetická energia — to znamená extrémne vysoké teploty a tlaky (napr. vo vnútri Slnka alebo v experimentálnych fúznych zariadeniach). Typickým príkladom v praxi je termonukleárna fúzia D–T (deutérium + trícium → hélium-4 + neutron + energia).

2. Jadrové štiepenie, rozpad jadra na časti.

   Pri štiepení sa ťažké jadro (napríklad U-235) rozpadne na dve (alebo viac) stredne ťažké jadrá spolu s uvoľnením voľných neutronov a veľkého množstva energie. Ak uvoľnené neutróny spôsobia ďalšie štiepenia, vzniká reťazová reakcia — princíp využívaný v jadrových reaktoroch aj v zbraniach. V reaktoroch sa reťazenie kontroluje moderátorom, absorbérmi a regulačnými členmi, aby sa získalo stabilné uvoľňovanie tepla.

3. Rádioaktívny rozpad, pri ktorom jadro niečo vypľuje a mení sa na iný druh jadra.

   Rádioaktívny rozpad je spravidla spontánny proces, pri ktorom sa nestabilné jadro mení na stabilnejšie vyžarovaním alfa častíc (jadrá hélia), beta častíc (elektróny alebo pozitróny), alebo vysokofrekvenčného gamma žiarenia, prípadne cez zachytenie elektrónu. Každé rádioaktívne jadro má charakteristický čas rozpadu vyjadrený polčasom rozpadu (half-life).

Spontánne a indukované reakcie

V prípade rádioaktivity sú zmeny spravidla spontánne a nemožno ich bežnými prostriedkami zastaviť ani výrazne urýchliť (výnimky sú veľmi malé a špecifické, napr. drobné zmeny rýchlosti pri procesoch zahŕňajúcich zachytenie elektrónov v rôznych chemických väzbách). Naopak štiepenie a fúzia sa môžu uskutočniť aj indukovane — napríklad navodením vhodnej kinetickej energie častíc alebo zásahom neutróna — aby sa cielene uvoľnila energia. Táto energia sa potom môže využiť rôznymi spôsobmi, napríklad na výrobu pary (ako v jadrovej elektrárni), na pohon vesmírnych systémov, v medicíne alebo, bohužiaľ, aj ako energia pre bombu.

Energia jadrových reakcií — väzobná energia a Q-hodnota

Energia uvoľnená pri jadrovej reakcii súvisí s rozdielom väzobnej energie medzi počiatočnými a výslednými jadrami. Tento rozdiel sa prejaví ako Q‑hodnota reakcie; ak je Q kladné, reakcia je exoenergetická (uvoľňuje energiu), ak je záporné, na jej priebeh je potrebné dodať energiu. Zákon zachovania hmotnosti a energie (E=mc²) vysvetľuje, prečo malé zmeny hmotnosti znamenajú veľké množstvá uvoľnenej energie.

Príklady a výskyt

V príklade na obrázku ^6Li sa spája s deutériom. Vznikne tak berýlium, ktoré sa následne rozpadne na dve alfa častice. Takéto reakcie sú typické pre laboratórne štúdie a experimentálne fúzne zariadenia.

Jadrové reakcie prebiehajú prirodzene vo vnútri Slnka (termonukleárna fúzia), v jadrových reaktoroch (kontrolované štiepenie), v urýchľovačoch častíc (indukované reakcie a výroba rádioizotopov) a vo vesmíre (napr. v explóziách supernov). Okrem rádioaktívnehorozpadu prebieha na Zemi len veľmi málo jadrových reakcií, ak nerátame miesta so zameranými technologickými zariadeniami. Reaktory využívajú jadrové reakcie na výrobu tepla a následne elektriny. V urýchľovačoch sa často vyrábajú rádioaktívne izotopy pre medicínu a výskum. Častice z vesmíru spôsobujú jadrové reakcie v zemskej atmosfére, ktoré spôsobujú, že vzduch je mierne rádioaktívny (napríklad vzniká rádioaktívny izotop uhlíka C-14).

Typy žiarenia a ochrana

Jadrové reakcie môžu vyprodukovať rôzne druhy žiarenia: alfa (ťažké nabité častice s krátkym doletom), beta (elektróny alebo pozitróny s väčším doletom), gamma (vysokoenergetické elektromagnetické žiarenie) a neutrónové žiarenie (bez náboja, prenikavé). Ochrana pred žiarením závisí od druhu žiarenia: alfa sa zastaví papierom alebo pokožkou, beta hrozí pri priamej expozícii a vyžaduje tenké kovové štíty, gamma a neutróny vyžadujú husté alebo špeciálne materiály (olovo, betón, voda) a starostlivé plánovanie prací a odstupov.

Aplikácie

• Energetika: produkcia elektriny v jadrových elektrárňach využitím kontrolovaného štiepenia.
• Medicína: diagnostika a liečba pomocou rádioizotopov (PET, SPECT, rádioterapia).
• Priemysel a výskum: sledovanie materiálov, neporušené testovanie, výroba izotopov v urýchľovačoch.
• Dátovanie: rádiokarbónové (C‑14) a iné metódy na určovanie veku organických vzoriek.
• Kozmické a atmosférické vplyvy: interakcie kozmického žiarenia s atómami v atmosfére vedú k vzniku sekundárnych jadrových reakcií a stopových rádioizotopov.

Rozdiel oproti chemickým reakciám

Jadrové reakcie sa od chemických reakcií líšia zásadne: mení sa vnútorné zloženie jadra (nielen usporiadanie elektrónov), uvoľňuje sa alebo spotrebováva oveľa viac energie na atómovú mierku, pri nich vznikajú nové prvky alebo izotopy a bežné katalyzátory používané v chémii tu nemajú zmysel. Rádioaktívny rozpad navyše spravidla nemožno bežnými prostriedkami zastaviť, urýchliť ani výrazne spomaliť.

Pre čitateľov, ktorí chcú ísť do hĺbky: štúdium jadrových reakcií zahŕňa kvantovú mechaniku jadrových väzieb, experimentálne merania prienikov reakcií (cross-sections), modelovanie reťazových reakcií a problematiku bezpečnosti, skladovania a likvidácie rádioaktívnych látok.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to jadrová reakcia?

Otázka: Ako funguje jadrová fúzia?

Otázka: Čo je výsledkom reakcie štiepenia jadier?

Otázka: Čím sa líši rádioaktívny rozpad od iných typov reakcií?

Otázka: Kde dochádza k jadrovým reakciám?

Otázka: Aké sú niektoré spôsoby využitia energie uvoľnenej jadrovou reakciou?

Hľadajte podľa písmena