ปฎิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงาน ในทุกสมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลบวกของเลขอะตอมทั้งก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน ซึ่ง แสดงว่าประจุไฟฟ้ารวมมีค่าคงตัว และผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาก็จะต้องเท่ากัน ด้วย ซึ่งแสดงว่า จำนวนนิวคลีออนรวมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องคงตัว
ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ มวลรวมหลังเกิดปฏิกิริยามักจะน้อยกว่ามวลรวมตอนเริ่มต้น มวลที่หายไปในปฏิกิริยานี้เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานตามสมการของไอน์สไตน์ สมการนี้อธิบายการสลายตัวให้กัมมันตภาพรังสีได้ด้วย คือมวลหายไปเปลี่ยนเป็นพลังงานของ กัมมันตภาพรังสีที่ปลดปล่อยออกมา รวมทั้งการที่มวลรวมของนิวคลีออนหายไปเมื่อรวมตัวกัน เป็นนิวเคลียส ก็อธิบายได้ว่าเปลี่ยนไปเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว
พลังงานที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเรียกว่า Reaction Energy ใช้สัญลักษณ์ สมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ สามารถเขียนได้ในรูป
หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งเป็น
เมื่อ แทน นิวเคลียสที่เป็นเป้า (นิวเคลียสธาตุเดิม)
แทน อนุภาคที่เข้าชนเป้า
แทน นิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากการชน (นิวเคลียสธาตุใหม่)
แทน อนุภาคที่เกิดใหม่จากการชน
เช่น
เนื่องจากมวลนิวเคลียสมีค่าน้อยเมื่อคิดหน่วยเป็นกิโลกรัม จึงมีการกำหนดหน่วยใหม่เพื่อ ใช้ในการนี้เป็น u
โดยที่กำหนด มีมวล 12u นั่นคือ 1u = 1.66x10-27 kg หาก มวล 1u หายไปในปฏิกิริยา จะเกิดพลังงาน
จูล
ปฏิกิริยานิวเคลียร์มี 2 แบบ คือ ฟิชชัน และ ฟิวชัน
ฟิชชัน
ฟิชชัน คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากนิวเคลียสของธาตุหนักแตกตัวเป็น นิวเคลียสขนาด เล็กลง เช่น การยิงนิวเคลียส ของธาตุยูเรเนียมด้วยนิวตรอน เป็นไปตามสมการ
พลังงาน
ซึ่ง และ เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี ซึ่งจะสลายต่อไปโดยให้รังสีบีตา ออกมา
รูป 10 แสดงการเกิดฟิชชันของยูเรเนียม -235
นิวตรอนใหม่ 3 ตัวที่เกิดขึ้น อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) เมื่อมีอนุภาค ยูเรเนียม-235 อยู่ข้างคียง
รูป 11 การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่
ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ได้พลังงานมหาศาล โดยที่มนุษย์ไม่อาจควบคุมได้ เรียกว่า ระเบิด ปรมาณู ซึ่งนำมาใช้ในสงครามโลกครั้งที่ 2 การสู้รบจึงยุติลงได้ ต่อมามนุษย์สามารถ ควบคุมได้ทั้งจำนวนนิวตรอน และพลังจากปฏิกิริยาฟิชชัน แบบปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นผลสำเร็จ ด้วย การคิดค้นอุปกรณ์ที่เรียกชื่อว่า เครื่องปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reactor) การควบคุมทำได้โดย การลดจำนวนนิวตรอนด้วยการใช้น้ำมาดูดกลืนนิวตรอน
ฟิวชัน
รูป 12 แสดงการเกิดฟิวชัน
ฟิวชัน คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียส ขนาดเล็กเข้าด้วยกัน ได้
นิวเคลียสของธาตุที่หนักกว่า และปลดปล่อยพลังงานออกมา เช่น
ปฏิกิริยาแรกคือ ดิวเทอเรียม 2 ตัวหลอมรวมกันเป็นไอโซโทปของฮีเลียม -3 กับนิวตรอน และ ให้พลังงาน 3.3 MeV เปรียบเทียบพลังงานที่เกิดในแต่ละครั้ง จากปฏิกิริยาฟิวชันได้น้อยกว่า ปฏิกิริยาฟิชชัน แต่ถ้าคิดพลังงานต่อมวล พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันมีค่ามากกว่าดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์เกิดปฏิกิริยาฟิวชันจากการทดลองไฮโดรเจน 4 ตัวเข้าไปเป็น ฮีเลียม
คือ โปซิตรอน (Positron) เป็นอนุภาคที่มีขนาดเท่ากับอิเล็กตรอนแต่มีประจุ + 1e
|