Reakcja jądrowa

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych wywołane ich oddziaływaniem wzajemnym w odległości odpowiadającej zasięgowi sił jądrowych bądź też ich oddziaływaniem z cząstkami elementarnymi lub fotonami. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu danego pierwiastka w innym stanie energetycznym. Oddziaływania jądrowe prowadzące do reakcji jądrowych nazywane są często zderzeniami.

Reakcje jądrowe można ogólnie podzielić na:

• reakcje syntezy, w których z jąder lżejszych powstają jądra o większej liczbie atomowej lub masowej
• reakcje rozpadu, gdy liczby atomowe lub masowe produktów reakcji są mniejsze niż substratów.

Notacja

Przebieg reakcji jądrowych zapisuje się w postaci równań, podobnie jak przebieg reakcji chemicznych. Po lewej stronie są jądra i cząstki wchodzące do reakcji jako substraty, po prawej zaś występują produkty reakcji. Przykładowo, reakcję litu-6 z deuterem można zapisać następująco:

${}_{}^{6}{\hbox{Li}}\;+{}_{}^{2}{\hbox{H}}\;\to \;{}_{\ }^{4}{\hbox{He}}\;+\;{}_{\ }^{4}{\hbox{He}}$

Dodatkowo można zaznaczyć ilość energii wydzielonej podczas reakcji (w postaci energii fotonów lub energii kinetycznej produktów reakcji). Energia ta odpowiada deficytowi masy produktów i substratów. Przykładowo: reakcja syntezy jądra helu-3 z jąder deuteru i wodoru (jedna z reakcji zachodzących na Słońcu):

${}^{2}{\hbox{D}}\;+{}^{1}{\hbox{H}}\to {}^{3}{\hbox{He}}+\gamma +5,49\;{\text{MeV}}$

Zamiast korzystania z pełnego równania, jak pokazano powyżej, w wielu sytuacjach do opisu używa się bardziej skrótowego zapisu reakcji jądrowych w formie A(b,c)D, co jest równoznaczne równaniu A + b → c + D. Dla często występujących w reakcjach jądrowych cząstek stosowane są skróty:

• n (neutron),
• p (proton, jądro protu, wodoru-1 – ¹H),
• d (deuteron, jądro deuteru – ²H),
• t (tryton, jądro trytu – ³H),
• α (cząstka alfa, jądro ⁴He),
• β^- (cząstka beta minus, elektron),
• β⁺ (cząstka beta plus, pozyton),
• γ (foton promieniowania gamma) itp.

Reakcja przywołana na początku rozdziału może więc być zapisana w postaci:

${}_{}^{6}{\hbox{Li}}({\hbox{d}},{\alpha }){\alpha }$

Ta forma notacji pozwala zapisać całą rodzinę reakcji jądrowych danego typu, np. reakcję strippingu (zdzierania), kiedy to np. deuteron padający na pewne jądro atomowe zostaje "obdarty" z jednego nukleonu, np. neutronu - proton wylatuje jako jeden z produktów reakcji; w skrócie jest to reakcja typu (d,p).

Reakcje jądrowe w przyrodzie

Reakcje jądrowe są procesami powszechnymi w naturze. Synteza jądrowa zachodzi np. na masową skalę we wnętrzach gwiazd. Reakcje rozszczepienia, najczęściej inicjowane neutronami tła promieniowania mają miejsce w skorupie ziemskiej i w całym otoczeniu człowieka, w którym w niewielkiej ilości występują izotopy promieniotwórcze, oraz w atmosferze Ziemi – głównie na skutek oddziaływania promieniowania kosmicznego.

Wymuszone reakcje jądrowe

Reakcję jądrową może wywołać oddziaływanie z inną cząstką, jądrem lub promieniowaniem. Procesowi temu towarzyszy powstawanie nowych jąder i innych cząstek. Duże znaczenie mają tzw. reakcje dwuciałowe, których schemat ma postać

${\text{X}}+a\rightarrow {\text{Y}}+b$

gdzie X i Y są odpowiednio – jądrem początkowym i końcowym, natomiast a i b – innymi cząstkami. Szczególnym przypadkiem takiej reakcji jest zderzenie elastyczne

${\text{X}}+a\rightarrow {\text{X}}+a$

w którym nie zmienia się energia kinetyczna układu jądro-cząstka (w ścisłym znaczeniu nie jest to wówczas przemiana jądrowa) oraz zderzenie niesprężyste

${\text{X}}+a\rightarrow {\text{X}}^{*}+a$

w którym jądro końcowe znajduje się w stanie wzbudzonym.

Jeżeli reakcja jądrowa wywoływana jest przez kwant γ, reakcję taką nazywa się fotojądrową

${\text{X}}+\gamma \rightarrow {\text{Y}}+a$

Natomiast, gdy cząstka oddziałująca z jądrem łączy się z nim, a energia jest wypromieniowywana w postaci kwantu gamma

${\text{X}}+a\rightarrow {\text{Y}}+\gamma$

wówczas mówi się o chwytaniu lub wychwycie radiacyjnym.

Tego typu reakcje mogą również występować w przyrodzie, mogą być również wywołane sztucznie dzięki strumieniom cząstek uzyskiwanym w reaktorach atomowych lub akceleratorach.

Przemiany jądrowe mogą również mieć charakter wielociałowy, np. gdy na skutek oddziaływania z jakąś cząstką lub promieniowaniem jądro ulega rozpadowi na dwa lub więcej fragmentów, czemu towarzyszy emisja innych cząstek. Taki proces wymuszonego rozszczepienia jądra nosi nazwę spalacji.

Zaawansowane przemiany jądrowe ,występują również w przypadku ładowania telefonu LG L9 i graniu na OC.

Przykładowa reakcja ładowania lg l9 i grania na oc:

LG + L9 + PowerBank + PokemonGo -->> wybuch o mocy 58 ton

Historia

Odkrycie, że jądra mogą ulegać przemianom, oraz pierwsze badania tych przemian i opis reakcji jądrowych ludzkość zawdzięcza Ernestowi Rutherfordowi i Marii Skłodowskiej-Curie. Również Rutherford przeprowadził pierwszą wymuszoną reakcję jądrową w 1919 r. Bombardował on azot cząstkami α (jądrami helu), uzyskując w rezultacie jądra izotopu tlenu i protony (jądra wodoru):

${}_{\ 7}^{14}{\hbox{N}}\;+\;\alpha \to \;{}_{\ 8}^{17}{\hbox{O}}\;+\;p$

Zobacz też

• nukleosynteza
• cykl protonowy
• reakcje pikojądrowe

Bibliografia

Adam Strzałkowski: Wstęp do fizyki jądra atomowego. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1978.brak strony w książce