UNIVERZITET U BANJALUCI
PRIRODNO – MATEMATIČKI FAKULTET
STUDIJSKI PROGRAM: HEMIJA
PREDMET: VIŠI KURS FIZIČKE HEMIJE
NUKLEARNE REAKCIJE
NUKLEARNA FISIJA I NUKLEARNA FUSIJA
SEMINARSKI RAD
PROFESOR: Dr Jelena Penavin – Škundrić STUDENT: Boroja, Dajana
BR. INDEKSA: 51/10
Banja Luka, februar 2014.god.
3
VJEŠTAČKE NUKLEARNE REAKCIJE
Nuklearna reakcija je proces u kome jedno jezgro reaguje sa drugim jezgrom, elementarnom
česticom ili fotonom, proizvodeći u vremenu od 10
-12
s, ili kraće, jedno ili više drugih jezgara
(a moguće i druge čestice). Većina nuklearnih reakcija koje su do danas proučene pripada
tipu kod koga jezgro, reagujući sa lakom česticom (neutronom, protonom, deuteronom,
helijumovim jonom, elektronom, fotonom) gradi jezgro raznih elemenata oslobađanjem jedne
ili više lakih čestica. Glavni izuzetak kod ovog opisa čini fisija.
Prvu nuklearnu reakciju ostvario je E. Rutherford 1919. godine bombardirajući jezgro
azota α-česticama, a opaženi su protoni velikih energija. Odvijanje reakcije simbolički
opisuje relacija:
4
He +
14
N →
17
O +
l
H ili
14
N(a,p)
17
O
Uopšteno, nuklearnu reakciju možemo napisati u obliku:
a + X → b + Y ili X (a,b) Y
gdje znak
a
označava česticu koja izaziva reakciju u jezgri
X
. Jezgra
X
reakcijom prelazi u
jezgru
Y
uz emisiju čestice
b
.
Zakon očuvanja energije u reakciji imaće oblik:
m
a
c
2
+ M
x
c
2
+ E
kp
= m
b
c
2
+ M
y
c
2
+ E
kk
gdje su
M
x
, M
y
, m
a
i
m
b
mase jezgra i čestica,
E
kp
i
E
kk
početna i konačna kinetička energija,
c
brzina svjetlosti. Razlika između konačne i početne kinetičke energije naziva se
Q
-
vrijednošću reakcije, tj.
Q=E
kk
-E
kp
. Ako je ona pozitivna, reakcije su egzotermne, tj. u njima
se oslobađa energija. Zakon očuvanja energije pokazuje da se dio mase pretvara u energiju,
tako da se za Q-vrijednost reakcije može pisati:
Q= (M
x
+m
a
)c
2
-(M
y
+m
b
)c
2
Ako je Q-vrijednost reakcije manja od nule (Q<0) reakcija se zove
endotermna
i potrebno je
uložiti odgovarajuću kinetičku energiju da bi se takva reakcija dogodila. Za
endotermne
nuklearne reakcije definiše se energija praga.
Energijom praga nuklearne reakcije nazivamo onu minimalnu kinetičku energiju upadne
čestice koja je potrebna da bi došlo do te nuklearne reakcije. Izračunajmo energiju praga za
nuklearnu reakciju X(a,b)Y za koju je poznata Q-vrijednost reakcije. Pretpostavljamo
da nuklid mete miruje pa je p
X
= 0 i E
X
= 0.
4
Energija praga je minimalna kinetička energija upadne čestice, a za koju se reakcija može
ostvariti, a to je u slučaju kada je brzina odnosno kinetička energija izlazne čestice jednaka
nuli, tj. p
b
= 0 i E
b
= 0.
Zakoni očuvanja količine gibanja i ukupne energije za navedenu nuklearnu reakciju
glase:
p
a
= p
Y
odnosno m
X
c
2
+m
a
c
2
+ E
prag
= m
b
c
2
+ m
Y
c
2
+ E
Y
.
Uzimajući u obzir gore navedeni izraz za Q-vrijednost reakcije, zakon očuvanja energije
možemo pisati:
Q + E
prag
= E
y
.
Povežimo E
Y
i E
prag
koristeći zakon očuvanja količine gibanja p
a
= p
Y
i definiciju
energije praga E
prag
= p
a
2
/(2m
a
).
Dobijamo:
2 2 2
E
Y
= p
Y
/(2m
Y
) = p
a
/(2m
Y
) = (m
a
/m
Y
) · p
a
/(2m
a
) = (m
a
/m
Y
) · E
prag
Uvrštavanjem dobivenog izraza za E
Y
u relaciju Q + E
prag
= E
Y
dobijamo:
Q + E
prag
= (m
a
/m
Y
) · E
prag
Odatle slijedi konačni izraz za energiju praga:
E
prag
= (-Q) · m
Y
/ (m
Y
– m
a
).
