7. Reakce neutronů Ø velmi časté reakce s vysokými výtěžky Ø pro neutron neexistuje potenciálová bariéra terčového jádra Ø pravděpodobnost záchytu neutronu je tím větší, čím je neutron pomalejší (tj. déle se zdržuje v okolí jádra) tepelné neutrony (0,002-0,5 keV) Pomalé neutrony rezonanční neutrony (0,5-1 keV) (pojem rezonanční souvisí s výskytem rezonančních maxim) Rychlé neutrony …… E> 1 keV Reakce (n,g) – radiační záchyt neutronu Ø produktem je izotop terčového jádra, protože nízká excitační energie složeného jádra nestačí k uvolnění nukleonu – deexcitace probíhá vyzářením fotonu g Ø zvýšený počet neutronů vede často k nuklidům, které podléhají přeměnám b^- Ø reakce má praktický význam pro průmyslovou produkci radionuklidů (výroba ^32P,^60Co, aj.) Reakce jader o Z >10 s pomalými neutrony · jde o reakce (n,g) , které jsou exoergické (Q = 6-10 MeV) · probíhají téměř se všemi jádry · výtěžky bývají velké, s » 10^-28 – 10^-25 m2 Reakce jader o Z <10 s pomalými neutrony · zpravidla probíhají reakce typu (n,p), (n,a) – převládají nad reakcemi (n,g), mají vysoké výtěžky a jsou exoergické · emise kladné částice je umožněna existencí nižší coulombické bariéry a existuje vyšší pravděpodobnost, že nukleon (nebo 2p + 2n) získají potřebnou energii k opuštění jádra · reakce se prakticky využívají: ^6Li(n,a)^3H výroba tritia ^14N(n,p)^14C výroba ^14C^ ^10B(n,a)^7Li[] měření a absorpce neutronů Reakce těžších jader s neutrony o vyšších energiích · s rostoucí energií neutronů klesá výtěžek záchytné reakce · s rychlými neutrony (0,5-10 MeV) roste pravděpodobnost reakcí typu (n,p) a (n,a) · reakce jsou však zpravidla endoergické a mají malý význam · významnější jsou reakce typu (n,2n) ^ ^19F(n,2n)^18F Průmyslová výroba radionuklidů · vyžaduje reaktor · toky neutronů musí být alespoň 10^12 – 10^13 neutronů/s cm^2 · výhodou je chemická jednoduchost ozařovaného materiálu (kovy, oxidy) · terčový materiál musí být odolný vůči teplu a musí být radiačně stabilní · terčový materiál se zatavuje do křemenných nebo PE ampulí, které se vkládají do Al-pouzder Příklady: 1. Výroba ^3H · ozařuje se kovové Li · Li se roztaví ve vakuu a uvolněné ^3H[2] reaguje s uranem na U^3H[3] [zahřátí oxidace] · U^3H[3 ]^3H[2] [ ]^3H[2]O 2. Výroba ^14C · ozařuje se Be[3]N[2] nebo AlN · terč se rozpustí ve směsi H[2]O[2] + H[2]SO[4] [oxidace CuO] · (^14CO[2, ]^14CO, ^14CH[4]) ^14CO[2 ] Ba^14CO[3 ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Výroba ^32P a) Ozařování elementárního fosforu^ ^31P(n,g)^32P b) Ozařování elementární síry ^32S(n,p)^32P Chemické zpracování: · terč se rozpustí v konc. HNO[3]® H[3]^32PO[4] · kyselina se čistí prolitím ionexem Výroba radioaktivních nuklidů kovů Nejčastěji z kovových prvků reakcí (n,g) · Terč se rozpustí ve vodě (např. ^24Na) · kovy, oxidy se rozpustí v HCl · může se provést alkalické oxidační tavení (např. s Na[2]O[2]) Zvláštní postupy přípravy nuklidů Je nutno aplikovat tehdy, když jsou potenciální výchozí nuklidy samy málo stabilní. Např. z tohoto důvodu nelze realizovat reakci ^130I(n,g)^131I Þ ^130Te(n,g)^131mTe (přeměna g, T=30hod) ® ^131Te ^131Te (přeměna b-, 25 min)^131I Z ozářeného terče se jod získává sublimací a rozpuštěním v roztoku siřičitanu sodného na Na^131I. Výroba lehčích transuranů (Z £ 100) A) ^238U se pomalými neutrony neštěpí, probíhá záchytná reakce ^238U(n,g)^239U (b-;23,5 min)^ 239Np ^239Np (b-;2,3 dní)® ^239Pu (a; 2,44.10^4 let) Þ při provozu jaderného reaktoru se v proto v palivu, které je převážně tvořeno ^238U, hromadí sekundární štěpný materiál Textové pole: 239Pu Z tohoto nuklidu mohou při delším ozařování vznikat záchytem neutronu i další radionuklidy Textové pole: 240,241,242Pu B) jaderném palivu termického reaktoru, který pracuje na principu štěpení ^235U, se hromadí ^237Np (počáteční nuklid neptuniové řady) ^235U(n,g)^236U (n,g)^ 237U ^237U (b-;6,75 dní) ® ^237Np (a, 2,20. 10^6 roků) nebo ^238U (n,2n)^237U (b-;6,75 dní) ® ® ^237Np (a, 2,20. 10^6 roků) Získávání neptunia a plutonia z ozářeného (použitého) paliva (Proces PUREX) · využívá se rozdílů v redoxním chování U, Np a Pu · extrakce se provádí TBP (tri n-butylfosfát) v kerosinu · nutno dbát na to, aby se nenahromadilo někde kritické množství Pu (pro nasycený vodný roztok je to cca 500 g Pu) Výroba těžších transuranů Dělení těžších transuranových prvků se provádí procesem TRAMEX Výroba těžších transuranů (Z > 100) neprovádí se dalšími záchyty neutronů a následnými přeměnami b- .... izotopy vznikají v malých výtěžcích a mají krátké poločasy přeměny. Reakce kladně nabitých projektilů Tyto projektily musí při průniku do jádra překonat coulombickou bariéru Þ nižší výtěžky reakcí ve srovnání s reakcemi neutronů proton (p) deuteron (d) a-částice (helion) ^3He těžká jádra Þ i u exoergických reakcí musí mít projektil určitou kinetickou energii Cyklotron (urychlování lehčích kladně nabitých částic) Protony a deuterony lze urychlovat do energie 30 MeV Lineární urychlovač Slouží k urychlování těžších iontů (od Li) K urychlení protonů 20 GeV K urychlení ostatních jader (včetně uranu) 30 MeV Příklady reakcí: A) Reakce protonů typu (p,xn) · Jsou endoergické · Vedou k neutron-deficitním nuklidům · Mají zpravidla krátký poločas přeměny Þ využívají se v nukleární medicíně · K jejich výrobě se používají malé kompaktní cyklotrony přímo v nemocnicích ^15N(p,n)^15O ^11B (p,n)^11C ^124Te(p,2n)^123I B) Reakce deuteronů typu (d,p) · Neprobíhají přes složené jádro · Při přiblížení deuteronu k jádru se deuteron polarizuje, proton se od jádra odvrátí · Nízká vazebná energie deuteronu (2,22 MeV)vede k jeho rozštěpení · Neutron je pohlcen jádrem a proton je odmrštěn · Reakce jsou exoergické (Q = 4-8 MeV) · Produkty těchto reakcí jsou stejné, jako kdyby proběhla reakce (n,g) Výtěžky jsou vysoké – do jádra neproniká celý projektil C) Reakce deuteronů typu (d,n), (d,2n) · Významné pro přípravu neutron-deficitních nuklidů ^10B(d,n)^11C ^7Li(d,2n)^ 7Be ^57Fe(d,2n)^57Co ^3H(d,n)^4He– zdroj neutronů o energii 14 MeV Neutronový generátor: tritium je rozpuštěno v Ti nebo Zr a je ozařováno deuterony, které produkuje malý lineární urychlovač z plynného deuteria. D) Reakce helionů (a,n) Radionuklidové zdroje neutronů: · Obsahují a-nestabilní radionuklid s dlouhým poločasem ^241Am, ^239Pu · práškové Be · směs je hermeticky uzavřena do ocelového pouzdra ^ ^9Be(a,n)^12C Toky neutronů jsou relativně malé (10^5 – 10^6n/s při aktivitě a-aktivního radionuklidu 1 GBq) E) Reakce těžších iontů · Slouží pro přípravu nuklidů o Z >100 příprava prvků o Z terč projektil 101 - 106 lehčí transurany ionty B - Ne > 106 nuklidy Pb, Bi ionty Cr, Fe, Ni, Zn · reakce probíhají mechanismem složeného jádra –vzniká nuklid a jeden nebo více neutronů (protonové číslo se v jednom kroku může zvýšit až o několik jednotek) · nevýhodou jsou však nízké výtěžky (vysoká potenciálová bariéra) · projektil musí být proto značně urychlen (min. na 5 MeV/nukleon) · reakce jsou však nejednoznačné, konkurenční reakcí bývá štěpení složeného jádra · konkurenční štěpení je však silně potlačeno u nuklidů s Z >106 s lichým nukleonovým číslem · byl objeven další mechanismus jaderné reakce typické pro těžká terčová jádra (U-Cm, s těžkými urychlenými ionty – nepružný přenos nukleonů · reakce přenosu nukleonů se uplatňují i u lehčích jader ^7Li (terč) + ^7Li (projektil 82 MeV) ® ^8B + ^6H · ^6H (T~ ms) ® ^3H + 3n Identifikace transfermiových prvků · v produktech ozařování se hledá nová radioaktivita (tj. nová energie a nový doposud nepozorovaný poločas přeměny) · problémy – při ozařování probíhá řada rušivých reakcí Metoda heliové trysky Chemická identifikace transfermiových prvků · je významná pro potvrzení atomového čísla prvku a pro srovnání chemických vlastností (na základě předpovědi jejich vlastností vyplývající ze zařazení prvku do periodického systému · preparativní metody prakticky nepřipadají v úvahu (krátké poločasy) · chemie se zkoumá v roztoku nebo plynné fázi · provedení experimentu vychází z určité očekávané chemické vlastnosti prvku – tomu je pořízeno sestavení aparatury · nutno počítat s extrémně nízkými koncentracemi · podrobnosti – viz Hála