Reakcja jądrowa

Reakcje jądrowe – przemiany jąder atomowych wywołane ich oddziaływaniem wzajemnym bądź też ich oddziaływaniem z cząstkami elementarnymi^[1]. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu danego pierwiastka w innym stanie energetycznym^[2].

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^[2]. Przykładowo, reakcję litu-6 z deuterem można zapisać następująco:

${\displaystyle \mathrm {^{6}Li\;+{}^{2}H\;\to \;{}^{4}He\;+{}^{4}He} }$

Dodatkowo można zaznaczyć ilość energii wydzielonej w wyniku 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):

${\displaystyle \mathrm {^{2}H\;+{}^{1}H\;\to \;{}^{3}He+\gamma +5{,}49\;MeV} }$

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:

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

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

${\displaystyle {\text{X}+a\to {\text{Y}+b}$

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

${\displaystyle {\text{X}+a\to {\text{X}+a}$

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

${\displaystyle {\text{X}+a\to {\text{X}^{*}+a}$

w którym jądro końcowe znajduje się w stanie wzbudzonym.

Jeżeli reakcja jądrowa wywoływana jest przez kwant ${\displaystyle \gamma ,}$ reakcję taką nazywa się fotojądrową

${\displaystyle {\text{X}+\gamma \to {\text{Y}+a}$

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

${\displaystyle {\text{X}+a\to {\text{Y}+\gamma }$

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 jądrowych 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.

Historia

 Osobny artykuł: Radioaktywność#Historia odkrycia radioaktywności.

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):

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

Zobacz też

• cykl protonowy
• nukleosynteza
• reakcje pikojądrowe

Przypisy

Bibliografia

• Adam Strzałkowski: Wstęp do fizyki jądra atomowego. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1978. Brak numerów stron w książce