Magreakciók
7 N 14 17 8 O p Első magreakciók 30 Al n P 27 13, 15. 7 N(, p) 14 17 8 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
Az első magreakcióhoz alkalmazott kísérleti edény A kísérleti edény, B szcintillációs ernyő, D alfa-sugárzó M mikroszkóp
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
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
Magreakciók neutronokkal <0,01 ev lassú vagy termikus >100 kev gyors epitermikus neutronok Hatáskeresztmetszet ~ 1/v Rezonanciacsúcsok
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
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
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
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
(n,f): hasadás lassú neutronok hatására MeV n N N n U A Z A Z 200 2,8) (2,4 2 2 1 1 235 Pu γ n Pu γ n Pu Np U γ n U β β 241 240 239 239 239 238 ), ( ), ( ), ( U Pa Th γ n Th β β 233 233 233 232 ), (
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
Magreakciók töltött részecskékkel Coulomb- gát - küszöbenergia Kis rendszámú elemeknél könnyebb Általában gyorsítani kell- van de Graafgenerátor, lineáris gyorsító, ciklotron
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. 7 7 7 7 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.
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. 9 10 12 13 56 57 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 56 54 Fe( d, ) Mn 88 86 Sr( d, ) Rb 23 197 Hg p) 24 Na
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
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
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
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
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.
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
Radioaktív izotópok előállítása Általános módszerek
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
1 t U-ból, ill. Th-ból nyerhető izotópok mennyisége 232 Th 238 U 235 U - 234 U 58 g - - - 231 Pa 0,27 g 228 Th 0,14 mg 230 Th 17 g - - - 227 Ac 0,16 mg 228 Ra 0,47 mg 226 Ra 0,34 g - - 210 Pb 4,1 mg -
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
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. 238 4,5*10 év U 228 99 9 234 5,7év Ra 66 Mo 24,1nap Th 228 234 6,13óra Ac 6óra Tc óra 99m 99 1,2min Pa 228 Tc Th 234 U 90 Sr 28év 90 64,2óra Y 90 Zr
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) 46 131 β I Ca( n, γ) 47 Ca
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. 238 79 Br(n,2n) 78 Br 237 U( n,2n) U β 237 Np
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.
140 140 Ba kinyerése 2 140 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.
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
Ciklotron
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.