Phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là quá trình một hạt nhân va chạm với hạt nhân khác hoặc với hạt như nơtron, prôtôn, hạt \alpha, làm cho hạt nhân ban đầu biến đổi thành hạt nhân khác. Dạng tổng quát là A + B \rightarrow C + D, trong đó A, B là hạt tham gia và C, D là hạt sinh ra. Ví dụ: {}^{9}_{4}\text{Be} + {}^{4}_{2}\text{He} \rightarrow {}^{12}_{6}\text{C} + {}^{1}_{0}\text{n}.

Trong mọi phản ứng hạt nhân đều được bảo toàn số khối A, điện tích (số hiệu nguyên tử Z), động lượng và năng lượng toàn phần. Để tìm số khối hoặc số hiệu của hạt chưa biết, ta lập \sum A_{\text{trước}} = \sum A_{\text{sau}} và \sum Z_{\text{trước}} = \sum Z_{\text{sau}}. Với ví dụ trên, 9 + 4 = 12 + 1 và 4 + 2 = 6 + 0.

Năng lượng của phản ứng là Q = (\sum m_{\text{trước}} - \sum m_{\text{sau}})c^2. Khi khối lượng tính bằng u thì Q = (\sum m_{\text{trước}} - \sum m_{\text{sau}}) \cdot 931{,}5 MeV. Nếu Q > 0, phản ứng tỏa năng lượng vì tổng khối lượng nghỉ sau phản ứng nhỏ hơn trước. Nếu Q < 0, phản ứng thu năng lượng vì tổng khối lượng nghỉ sau lớn hơn trước; đáp số có dấu âm và độ lớn bằng năng lượng phải cung cấp cho phản ứng xảy ra.

Khi hạt tới bắn vào hạt nhân đứng yên và phản ứng thu năng lượng, phần động năng của hạt tới được dùng để trả năng lượng thu. Theo bảo toàn động lượng, các hạt sinh ra có động lượng liên hệ với nhau, và hướng bay của hạt sinh lệch khỏi hướng hạt tới một góc phụ thuộc vào tỉ số khối lượng của chúng.

Phóng xạ \alpha là quá trình hạt nhân nặng tự phát phát ra hạt {}^{4}_{2}\text{He}, làm số khối giảm 4 và số hiệu giảm 2. Ví dụ: {}^{214}_{84}\text{Po} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{210}_{82}\text{Pb}. Đây là phân rã của một hạt nhân đơn lẻ, không phải phản ứng nhiệt hạch vì không có sự kết hợp của hai hạt nhân nhẹ.

Khi hạt nhân mẹ đứng yên phân rã \alpha, động lượng của hai hạt con bằng nhau về độ lớn, nên động năng của chúng tỉ lệ nghịch với khối lượng. Nếu không kèm bức xạ \gamma, năng lượng tỏa ra bằng tổng động năng hai hạt, và với khối lượng tính theo số khối A của hạt mẹ thì Q \approx \frac{A}{A-4}K_\alpha.

Phóng xạ là quá trình tự phát và ngẫu nhiên, không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài như nhiệt độ hay áp suất.

Phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng, chẳng hạn {}^{235}_{92}\text{U}, hấp thụ nơtron rồi vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng.

Trong nhà máy điện hạt nhân, năng lượng điện phát ra bằng hiệu suất nhân với năng lượng hạt nhân: W_{\text{điện}} = H \cdot W_{\text{hạt nhân}}. Số hạt nhân đã phân hạch là N = \frac{m}{A}N_A, và tổng năng lượng giải phóng là W = N \cdot E, với E là năng lượng mỗi phân hạch.

Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp của hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, xảy ra ở nhiệt độ rất cao. Ví dụ: đơteri và đơteri kết hợp tạo thành heli.

Phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng, không thu năng lượng.

Các phản ứng kết hợp {}^{2}_{1}\text{H} với {}^{3}_{1}\text{H} đều là nhiệt hạch, còn phân rã của một hạt nhân nặng thì không.