Reakcja jądrowa

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

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:

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

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):

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

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:

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

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

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

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

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

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

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

w którym jądro końcowe znajduje się w stanie wzbudzonym.

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

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

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

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

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

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

• cykl protonowy
• nukleosynteza
• reakcje pikojądrowe

Bibliografia

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