Deeltjeskanon

Anne stelde deze vraag op 08 oktober 2023 om 16:32.

Hallo,
Bij kernfysica schieten ze neutronen, protonen, elektronen of alfadeeltjes in atoomkernen.
Ik las over een cyclotron, waarbij je een kleine bron hebt die door verval van deeltjes bijvoorbeeld elektronen uitzendt. Die kun je dan versnellen in een cyclotron met magneten en stroom. Ze komen dan uiteindelijk met een grote snelheid uit een opening. Dat klopt toch ? Maar hoe krijg je een 'kanon' voor het beschieten van atoomkernen of andere deeltjes met neutronen en heliumkernen (alfadeeltjes) ? Die eerste deeltjes zijn bijvoorbeeld neutraal. Daarop werkt geen magnetisch veld. En heliumdeeltjes zijn volgens wat ik gelezen heb heel zwaar en wil energetisch niet goed, maar dat snap ik ook niet helemaal.
Kunt u nog iets zeggen over hoe dit werkt ? Ik kan het niet vinden en snap het niet goed.
groeten,
Anne

Reacties

Theo de Klerk op 08 oktober 2023 om 16:52
Neutronen komen vrij bij splijtingsprocessen van zware kernen en hebben een lage, gemiddelde of hoge energie (snelheid) "van nature". En zo worden ze ook gebruikt want versnellen via een elektrisch of magnetisch veld is niet mogelijk. Aangezien snelheid van deeltjes een relatie heeft met temperatuur worden ze ook koude, warme en hete neutronen genoemd ipv trage, gemiddelde en snelle neutronen. Voor veel toepassingen dienen neutronen afgeremd te worden: zo worden grafietstaven gebruikt in kerncentrales om de snelle neutronen voldoende te vertragen om een botsing met een uraniumkern te krijgen die dan weer een splijting oplevert.
 https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_temperature
Anne op 08 oktober 2023 om 19:48
Dank hiervoor, maar mijn vervolgvraag is blijkbaar weggevallen ...
Hoe kom je aan een neutronenbron voor bijvoorbeeld het beschieten van kernen of andere deeltjes ?
Hetzelfde voor heliumkernen. En hoe moeten die deeltjes dan versneld worden of hoe moet je dan deeltjes beschieten hiermee ? Er staat in veel leerboeken ... een kern wordt ebschoten met alfadeeltjes of met neutronen. Hoe gaat dat dan. In een kernreactor kan ik me iets voorstellen, maar voor veel experimenten heb je toch geen reactor voorhanden ? Kunt u daar nog iets over zeggen ?
Groeten, Anne  
Theo de Klerk op 08 oktober 2023 om 20:28
De bron is het natuurlijke materiaal waaruit neutronen of alfa-deeltjes komen. De laatsten kunnen door hun lading nog versneld worden in elektrische en magnetische velden. Al is door hun massa een sterker veld nodig dan voor een vier keer lichter proton.
Anne op 09 oktober 2023 om 09:41
Ja, is duidelijk. Maar laatste vraag is: kun je neutrale neutronen ook versnellen in een bepaald veld ? Dat kan toch niet met elektromagneten ? Hoe kan dat dan wel ? Kunt u dat nog vertellen.
Groeten,Anne
Theo de Klerk op 09 oktober 2023 om 11:17
Nee. Neutronen laten zich in een elektrisch veld niet versnellen bij gebrek aan lading. Zwaartekracht zou kunnen maar gezien de kleine massa is dat geen haalbare kaart.
We moeten het dus hebben van de snelheid die de neutronen hebben als ze het radioactieve preparaat verlaten.
Anne op 09 oktober 2023 om 11:24
Tot slot ... ik begrijp dat de temperatuur daarbij dan een bepalende rol speelt. De reactie met neutronen-emissie moet dan bij een maximaal mogelijke temperatuur plaatsvinden, zodat de neutronen zo snel mogelijk bewegen ?
Theo de Klerk op 09 oktober 2023 om 11:30
Nee. Temperatuur is een maat voor de snelheid van neutronen. Die snelheid hebben ze al. Extra "opwarmen" heeft een marginaal effect op de "temperatuur" die ze al hebben.
Jaap op 09 oktober 2023 om 22:19
Dag Anne,
Over bronnen van heliumkernen en vrije neutronen…

Voor heliumkernen (alfadeeltjes) zijn veel natuurlijke bronnen beschikbaar. Het zijn vooral sommige soorten zware atoomkernen die van nature alfastraling uitzenden. Bij voorbeeld uranium-238 en thorium-232.

Zoals hierboven vermeld, komen neutronen vrij als een kern zoals uranium-235 in een kernreactor wordt gespleten door een neutron. Er bestaan nog andere bronnen van vrije neutronen.
• Bij de fusie van elektrisch versneld tritium (H-3-kern) met deuterium (H-2-kern) komt een energierijk neutron vrij. Dit wordt toegepast in kleine neutronengeneratoren.
• Het vochtgehalte en de dichtheid van asfalt kan in de wegenbouw worden gemeten met een troxler. Zo'n apparaat kan een americium-beryllium-bron bevatten. De kunstmatig verkregen kernsoort Am-242 zendt alfastraling uit, waarna een neutron kan vrijkomen bij de reactie van een alfadeeltje en Be-9.
• De neutronenbron in een troxler kan, in plaats van Am-Be, ook californium-252 zijn. Deze instabiele, kunstmatig verkregen kernsoort kan 'spontane splijting' vertonen. Bijna alle kernen Cf-252 vervallen via alfa-emissie, maar 3% van de kernen Cf-252 splijt zonder door een neutron te zijn getroffen. Een spontaan splijtende kern Cf-252 kan ruim 20 neutronen leveren. Neutronenemissie bij spontane splijting treedt in zeldzame gevallen ook op bij sommige andere kernsoorten, waaronder uranium-238 en thorium-232.
• Als kosmische straling een atoomkern in de aardatmosfeer treft, kan de kern een neutron uitzenden. Deze spallatie of afsplintering is in de atmosfeer nauwelijks een hanteerbare bron van neutronen voor doelgericht gebruik.
• Spallatie wordt wel toegepast in grote installaties voor wetenschappelijk onderzoek. Bij voorbeeld de Spallation Neutron Source in de Verenigde Staten van Amerika, waar elektrisch versnelde protonen kwikatomen treffen. In Zweden is zo'n installatie anno 2023 in aanbouw.
Groet, Jaap

https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron#Sources_and_production
https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_generator
Jaap op 10 oktober 2023 om 12:25
Dag Anne,
Over het versnellen van heliumkernen en neutronen…
Ik neem aan dat je met 'versnellen' bedoelt 'het vergroten van de snelheid'.
In de natuurkunde wordt 'vertragen' en 'de bewegingsrichting veranderen' ook wel als een versnelling beschouwd, omdat er iets aan de snelheidsvector (grootte en/of richting) verandert. Ik neem echter aan dat je met 'versnellen' niet bedoelt 'vertragen' of 'de bewegingsrichting veranderen'.

Heliumkernen laten zich eenvoudig versnellen met een elektrisch veld. Dat hun massa groter is dan die van neutronen, is geen beletsel. In een cyclotron of andere versneller worden ook zwaardere deeltjes versneld, zoals ijzerionen.

Ook neutronen kunnen, zij het in zeer geringe mate, met een (elektro)magnetisch veld worden versneld. Weliswaar is een neutron als geheel elektrisch neutraal, maar het heeft wel een magnetische eigenschap die het 'magnetisch moment' wordt genoemd. (Dit 'moment' heeft niks met tijd te maken.)
Bij sommige kernfysische experimenten worden uitermate langzame neutronen gebruikt. Het is soms nodig deze een wat grotere snelheid te geven, en dat kan met sterkte magneten. Meer informatie hierover is te vinden in de reacties van Gremlin en Merger Sponge op
https://physics.stackexchange.com/questions/136018/how-is-it-possible-to-accelerate-a-neutron
Het aldus versnellen van neutronen komt in de verste verte niet in de buurt van een 'neutronenkanon'. Zijn er snelle neutronen nodig, dan worden ze verkregen uit een van de eerder genoemde bronnen. Als uitsluitend neutronen met bepaalde snelheden nodig zijn, worden te snelle neutronen afgeremd door botsing met lichte kernen of door op mechanische wijze de neutronen met ongewenste snelheden tegen te houden.
Groet, Jaap
Anne op 10 oktober 2023 om 17:30
Jaap, veel dank voor deze aanvullende antwoorden. Ook die over de voorbeelden en met name dat voor neutronen, want dat was onduidelijk. Hoeveel (bewegings)energie nodig is voor het beschieten van een 'doel' met neutronen is niet helemaal helder nog. Maar dit zal wel verschillen. Het versnellen van neutronen heeft dan te maken neem ik aan met de 'spin', waardoor een veld ontstaat ?
Ook las ik over protonentherapie. Daarbij is ook een behoorlijke cyclotron aanwezig. Ik zag dat in Groningen achter het UMCG. Daar is ook een cyclotron aanwezig en een groot gebouw. Voor die therapie hebben ze ook protonen nodig met een bepaalde energie begreep ik.
De weblinks zijn interessant. Veel dank. Het is nu wel veel duidelijker geworden.
Anne
Johannes Wardenier op 16 november 2024 om 20:06

De vraag blijft hoe "schieten" ze neutronen op Uranium 235 om warmte te veroorzaken  De techniek graag uitleggen in de praktijk....

Wie kan mij praktisch dit uitleggen ?

Jan van de Velde op 16 november 2024 om 23:00

Dag Johannes,

Ze schieten niks. Uranium-235 is onstabiel, en een 235U-kern zal ook zonder duidelijke aanleiding vervallen tot een thorium-231 kern plus een heliumkern (alfadeeltje). Ga niet naast een willekeurige 235U kern zitten tot dat gebeurt, dat zou akelig lang kunnen duren. 

Verder vliegen er in de natuur (ook binnen in jouw lijf) zomaar allerlei deeltjes, ook neutronen, rond als gevolg van allerlei kernreacties overal. 
Als zo'n neutron een 235U kern met een bepaalde snelheid raakt, dan splijt die kern, en komen daarbij bijvoorbeeld een bariumkern en een kryptonkern vrij, maar óók drie neutronen knallen los uit de oude kern. 

Heb je voldoende 235U kernen voldoende dicht bij elkaar gebracht, bijvoorbeeld in "brandstof"staven voor een kernreactor, of in het hart van een atoombom, dan laten de neutronen van de ene splijtingsreactie de volgende 235U kern splijten, enzovoort. Dat heet dan een kettingreactie.
 
In een kernreactor regel je het tempo door de concentratie 235U niet te hoog te maken, en een groot deel van die neutronen weg te vangen.

In het hart van een atoombom heb je geconcentreerder materiaal, en daarvan verhoog je op het moment van detonatie door samenpersen de concentratie 235U zó ver dat zoveel mogelijk neutronen tegelijk "raak"zijn. 
 1-3-9-27-81-243-729 enzovoort, dat gaat hard, en zo gaan er een fractie van een seconde later ziljarden gelijk dat splijtingsproces in, en heb je een ontploffing. 

Dus we schieten niks, de onstabiele kernen doen dat zelf, en wij proberen zo goed mogelijk te bepalen in welk tempo de kettingreactie verloopt. 

Dan wat betreft die warmte:
Een verbranding van bijvoorbeeld aardgas is een reactie van methaan met zuurstof. De atomen van beide stoffen worden daarbij losgemaakt en anders gerangschikt, tot moleculen koolstofdioxide en water. Bij dat chemische proces komt warmte vrij. 

Op min of meer analoge manier worden bij kernreacties de protonen en neutronen van de uraniumkernen wat anders gerangschikt tot andere atoomkernen. Bij dat nucleaire proces komt ook warmte vrij. In een kernreactor op een gereguleerde manier naar behoefte, in een atoombom zo veel mogelijk in zo kort mogelijke tijd. 

Groet, Jan

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft achttien appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)