Első magreakciók. Exoterm (exoerg) és endoterm (endoerg) magreakciók. Coulomb-gát küszöbenergia

Átírás

1 Magreakciók

2 7 N O p Első magreakciók 30 Al n P 27 13, N(, p) O Targetmag Megmaradási elvek: 1. a nukleonszám 2. a töltés megmaradását. 3. a spin, 4. a paritás, 5. az impulzus, 6. A tömeg+energia megmaradása E 931MeV Exoterm (exoerg) és endoterm (endoerg) magreakciók m m m m termék kilépő_ r. targ et besugárzó_ r. Coulomb-gát küszöbenergia

3 Az első magreakcióhoz alkalmazott kísérleti edény A kísérleti edény, B szcintillációs ernyő, D alfa-sugárzó M mikroszkóp

4 A magreakciók kinetikája N* a keletkező részecske N a targetmagok száma a besugárzó részecske fluxusa a hatáskeresztmetszet, 1 barn=10-24 cm 2 dn dt * N N a termékmag bomlási állandója σn λtbesug N (1 e ) N(1 e λ Besugárzás megszűnte után: * besug * λt ) N * λt besug N (1 e ) e λt Aktivitással kifejezve: A * * λtbesug λt λtbesug λn λn (1 e ) e A (1 e ) e λt

5

6 A magreakciók csoportosítása Belépő részecske Magreakciók Töltés nélküli részecske neutron n,; n,p; n,; n,2n; n,f (hasadás) gamma-foton,n;,p Töltött részecske proton p,; p,n; p, deuteron alfa d,n; d,p; d,; d,2n,n;,p nehezebb magok lásd transzuránok előállítása

7 Magreakciók neutronokkal <0,01 ev lassú vagy termikus >100 kev gyors epitermikus neutronok Hatáskeresztmetszet ~ 1/v Rezonanciacsúcsok

8 Nincs Coulomb-gát He kivételével mindig lejátszódik Exoterm, 8 MeV (neutron kötési energiája) Nem állítható elő hordozómentes izotóp Neutronfelesleges, β - -sugárzó magok keletkeznek Neutronaktivációs analízis A Z 23 N( n, γ) Na( n, γ) A1 Z 24 N Na

9 N( n, p) Z A A Z 1 A nagyobb részecske kilépésének energetikai szempontból nagyobb a valószínűsége, azonban a proton kilépését a Coulomb-gát akadályozza, ami a gamma-foton esetén nem jön számításba. Ezért az alacsonyabb rendszámoknál inkább a (n,p), nagyobb rendszámoknál a (n,γ) magreakciók gyakoribbak. Exoterm. Hordozómentes izotóp állítható elő. Neutronban gazdag, tehát β - -sugárzó magok keletkeznek N 64 Zn( n, p) 64 Cu

10 A Z N( n, α) A3 Z 2 Endoterm Coulomb-gát miatt kis rendszámoknál 6 Li( n, α) Deutérium jelenlétében (LiD, D 2 O) 3 H( d, n) A különböző energiájú termikus neutronokból gyors neutronokat 14 MeV kapunk. Hidrogénbomba 4 3 H He N α

11 A Z N( n,2n) A1 Z N Nagyobb tömegű mag keletkezik, tehát endoterm 63 Cu( n,2n) 62 Cu 115 In( n,2n) 114 In 23 Na( n,2n) 22 Na

12 (n,f): hasadás lassú neutronok hatására MeV n N N n U A Z A Z 200 2,8) (2, Pu γ n Pu γ n Pu Np U γ n U β β ), ( ), ( ), ( U Pa Th γ n Th β β ), (

13

14 Magreakciók fotonokkal Gamma-fotonok energiája>targetmag kötési energiája Viszonylag ritkák, pl. A 24 Na-izotóp elegendően nagy energiájú fotonokat bocsát ki ahhoz, hogy ezt a reakciót lehetővé tegye. Ezért ha nehézvízben 24 Naizotópot tartalmazó sót oldunk, akkor hordozható neutronforrást készíthetünk. 2 H γ n p

15 Magreakciók töltött részecskékkel Coulomb- gát - küszöbenergia Kis rendszámú elemeknél könnyebb Általában gyorsítani kell- van de Graafgenerátor, lineáris gyorsító, ciklotron

16 Magreakciók protonokkal (p,n): erős kölcsönhatások Coulomb-gát A protonok száma nő, a neutronok száma csökken: + - sugárzó, vagy elektronbefogó magok keletkeznek. Hordozómentes izotópok állíthatók elő Li( p, n) Be Be( p, n) B (p,): kevéssé jelentősek 6 Li( p, ) 7 Be 12 C( p, ) 13 N (p,α): mindkét irányban Coulomb-gát van. Mindig endoterm, hordozómentes izotópok előállíthatók.

17 Magreakciók deuteronokkal (d,p) magreakció, ún. Philips-Openheimer reakció: hasonló a (n,) magreakciókhoz, hordozómentes izotóp nem állítható elő. Neutronfelesleges, azaz negatív béta-bomló izotópok keletkeznek. A Z N( d, p) A1 z (d,n): egyenértékű a (p, ) folyamatokkal, vagyis eggyel nagyobb rendszám, pozitív béta-sugárzó vagy elektronbefogó magok keletkeznek, hordozómentes állapotban is Be( d, n) B C( d, n) N Fe( d, n) Co (d,2n) reakciók erősen endotermek, a (p,n) reakcióval ekvivalensek. A protonok száma viszonylag nagy, tehát pozitív béta-sugárzó vagy elektronbefogó magok képződnek: 197 Au( d,2n) N Na( d, (d,): az átmeneti mag energiatartalma olyan nagy, hogy az alfa-részecske a Coulomb-gátat le tudja győzni. Eggyel kisebb rendszámú mag keletkezik, amely pozitív béta-sugárzó vagy elektronbefogó. Előállíthatunk hordozómentes izotópokat. 24 Mg ( 22 d, ) Na Fe( d, ) Mn Sr( d, ) Rb Hg p) 24 Na

18 Termonukleáris reakciók 1 H+ 1 H 2 H+β + +ν ΔE=-0,44 MeV 2 H+ 1 H 3 He+γ ΔE=-5,49 MeV 3 H+ 1 H 4 He+γ ΔE=-19,8 MeV 3 He+n ΔE=-3,27 MeV 2 H+ 2 H 4 He ΔE=-23,83 MeV 3 H+p ΔE=-4,03 MeV 2 H+ 3 H 4 H+n ΔE=-17,59 MeV 3 H+ 3 H 4 He+2n ΔE=-11,32 MeV

19 Z rendszámú, A tömegszámú mag keletkezése magreakciókban és radioaktív bomlással 23 Na ( n, γ) 24 Na 23 Na ( n,2n) 22 Na 23 Na ( d, p) 24 Na

20 A magreakciók kémiai hatásai Más rendszámú atommag keletkezése önmagában is kémiai hatás A magreakciót követő kémiai átalakulások : oka, hogy a magreakciók energiája több nagyságrenddel nagyobb a kémiai kötések energiájánál megváltozhat a target és a termék kémiai tulajdonságai Bár a nukleáris energia nem hőenergiaként, hanem a részecskék kinetikus energiájaként jelentkezik, a kinetikus energia hőmérsékletként is kifejezhető nagyon magas hőmérséklet forró atomok

21 A magreakciók kémiai hatásai Forró atomok magvisszalökés során is keletkeznek (magreakcióban+radioaktív bomlásban) A magvisszalökődés energiája a nehezebb részecskéknél nagyobb, azonban még a legkisebb kilépő részecskéknél (gamma-fotonok) is nagyobb, mint kémiai kötések energiája a visszalökődési energiától és a rendszámtól függően a belső és külső elektronokat is gerjesztheti. Belső elektronok gerjesztése karakterisztikus röntgenfotonok, Auger-elektronok kilépése Külső elektronok gerjesztése ionizáció, kötések felhasadása Szilárd-Chalmers-effektus vagy forró atom kémia

22 Szilárd-Chalmers-reakciók Etil-jodidban kötött 127 I (n,γ) reakciója. A termék gerjesztett radioaktív 128 I nuklid, amely jodidionná alakul - a magreakció során a szerves jódból szervetlen lesz. A target és a termék ugyanazon elem két izotópja, de különböző kémiai formában! Elválaszthatók, tehát a 128 I hordozómentesen kapható. (n,γ) reakció is alkalmas lehet hordozómentes izotóp előállítására, ha a magreakciót olyan kémiai reakció kíséri, amelyben forró atom keletkezik (γ,n), (n,2n) és(d,p) reakciókban szintén lehetnek ilyen folyamatok Felhasználható a radionuklid-termelésben a target általában szerves, a termék szervetlen forma. Hordozómentes klór-, bróm-, jód-, króm-, mangán-, foszfor-, arzénizotópok előállítása Jelzett vegyületek előállítása forró atomok reakcióival: pl. 14 N(n,γ) 14 C: 14 C forró atom keletkezik, amely reagálhat a környezetben levő anyagokkal termékek: CO 2, CO, CH 4, HCN, CH 3 OH, HCOH, HCOOH, stb. Atomreaktorokban is végbemegy a levegő nitrogénje reagál, a szénvegyületek megjelennek a hűtővízben.

23 Radioaktív bomlások kémiai hatásai Radioaktív bomlásnak is lehet kémiai hatása Béta-bomlások során megváltozik a rendszám Ha a visszalökési energia nem elegendő a kémiai kötés felhasításához, a leánynuklid ugyanabban a kémiai kötésben marad, de a vegyület már nem stabil. Pl. 14 C negatív béta-bomlásával 14 N. A szerves molekulában a szénből nitrogén lesz, a vegyület disszociál gyökök, ionok keletkeznek, amelyek a környezet anyagaival reagálva jelzett anyagokat adnak. Szerves molekulák radiolízise

24 Radioaktív izotópok előállítása Általános módszerek

25 Természetes radioaktív izotópok kinyerése Természetes bomlási sorokból kinyerhető izotópok ma már inkább csak történeti jelentőségűek U-238 bomlási sorából: 234 Th, 226 Ra, 222 Rn, 210 Pb, 210 Bi, 210 Po Th-232 bomlási sorából: 228 Ra, 228 Th, 220, Rn, 212 Pb

26 1 t U-ból, ill. Th-ból nyerhető izotópok mennyisége 232 Th 238 U 235 U U 58 g Pa 0,27 g 228 Th 0,14 mg 230 Th 17 g Ac 0,16 mg 228 Ra 0,47 mg 226 Ra 0,34 g Pb 4,1 mg -

27 Mesterséges radionuklidok: atomreaktorok Hasadványok Target+neutronbesugárzás: magreakciók (n,), (n,p), (n,), (n,2n), (n,f) Al-tok, fém vagy oxid, esetleg sók (karbonát) Olyan kísérő elem, amelyből keletkezett izotóp gyorsan bomlik Tisztaság

28 Generátorok Rövid felezési idejű izotópok kinyerése: a hosszabb felezési idejű anyaelemet választjuk le alkalmas hordozóra és azt fejjük, vagyis kémiai eljárással elválasztjuk a leányelemet. Az emanáló források is generátorok ,5*10 év U ,7év Ra 66 Mo 24,1nap Th ,13óra Ac 6óra Tc óra 99m 99 1,2min Pa 228 Tc Th 234 U 90 Sr 28év 90 64,2óra Y 90 Zr

29 Neutronnal végbemenő magreakciók (n,): neutronfelesleges magok, negatív bétabomlók, nem hordozómentesen keletkezik. Elválasztás nehéz, Szilárd-Chalmers effektus: különböző kémiai állapotú izotópok keletkeznek. A termék leányeleme is lehet radioaktív: 130 Te( n, γ) 131 β Te Szukcesszív (n, ) reakciók: 44 Ca( n, γ) 45 Transzuránok előállítása Ca( n, γ) β I Ca( n, γ) 47 Ca

30 Neutronnal végbemenő magreakciók (n,p) és (n,): könnyű elemekre 6 Li(n,) 3 H 14 N(n,p) 14 C 32 S(n,p) 32 P 35 Cl(n,p) 35 S 40 Ca(n,) 37 Ar Hordozómentesen állíthatók elő, általában lassú neutronnal, exoterm reakciók (n,2n): gyors neutronnal, a targetet a fűtőelemek közötti lyukba helyezik Br(n,2n) 78 Br 237 U( n,2n) U β 237 Np

31 Maghasadás Rövid felezési idejű izotópok: urán mint target kerül elhelyezésre, pl. 132 Te 132 I Hosszú felezési idejűek: a kiégett fűtőelemek feldolgozásával nyerhetők Urán és transzuránok elválasztása tri-butilfoszfáttal Az oldatban maradt hasadványokat csoportelválasztásokkal (lecsapások, extrakciók) különítik el és tisztítják.

32 Ba kinyerése Ba Pb( NO3 ) 2 H2SO4 ( BaPb )( SO4 ) H2O Kevés Sr(II)-szennyezés Feltárás Na 2 CO 3 -tal: ( 140 BaPb)CO 3 Oldás salétromsavban: 140 Ba(NO 3 ) 2 +Pb(NO 3 ) 2 Újabb karbonátos lecsapás, stb. cc. HCl: PbCl 2 lecsapása, 140 Ba(II) oldatban marad.

33 Mesterséges radionuklidok: gyorsítók Reakciók töltött részecskékkel neutronhiányos izotópok Hordozómentes izotópok Fontos orvosi/biológiai alkalmazások: rövid felezési idők Nehezebb transzuránok előállítása Ciklotronok és lineáris gyorsítók Target: vékony fém-fóliák, vagy oxid rétegek hűtés Hatáskeresztmetszet energiafüggő a kívánt termék szerint optimálható

34 Ciklotron

35

36 Lineáris gyorsító Lineáris protongyorsító elvi rajza. A protonok váltakozó feszültségre kapcsolt gyorsító csöveken haladnak át. A csövek hosszát a feszültség-változás frekvenciájához mérten úgy alakítják ki, hogy a protonok éppen akkor találkozzanak a gyorsító feszültséggel, amikor átlépnek egyik csőből a másikba.