Reakcje jądrowe to procesy zachodzące w jądrach atomowych. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu w innym stanie energetycznym.

Reakcje jądrowe można ogólnie podzielić na

• reakcje syntezy, w których powstają jądra o większej liczbie atomowej

• reakcje rozpadu, gdy liczba atomowa produktów reakcji jest mniejsza; do reakcji tych zalicza się również rozpad gamma, w którym liczba atomowa pozostaje stała, natomiast zmniejsza się energia jądra.

Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa - zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, w wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa.

Różne jądra atomowe mają różną energię wiązania przypadającą na nukleon. Największą energię wiązania przypadającą na jeden nukleon ma żelazo.

W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produktów i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy, czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.

Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają - aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek.

Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów. W skali atomowej oznacza to bardzo dużą energię zderzenia cząstek. Istnieje hipoteza, że synteza jądrowa może zachodzić również w niższych temperaturach (zimna fuzja).

Reakcja termojądrowa jest głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem energii gwiazd.

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem (neutrony opóźnione).

Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku zderzenia z neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząstkami.

Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane zderzeniem z neutronami (w energetyce i wojskowości). Rozszczepienie samorzutne są istotne w metodach datowania radioizotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.

Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne.

Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Dlatego np. jądra (²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu) najłatwiej ulegają rozszczepieniu dla powolnych neutronów termicznych. Dla jąder tych ciężkich pierwiastków, reakcja ta jest egzoenergetyczna

Procesy rozpadu jadrowego

Rozpad alfa (przemiana α) - reakcja jądrowa rozpadu, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu ⁴₂He²⁺). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa.

Zapis reakcji rozpadu jądra atomu uranu-238 (²³⁸U):

lub:

W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra.

Rozpad beta - jeden z typów reakcji rozpadu jądra. Jest to przemiana jądrowa, której skutkiem jest przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżnia się dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β ⁻ (beta minus) oraz rozpad β ⁺ (beta plus). W wyniku tego rozpadu zawsze wydzielana jest energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii rozpadu może pozostać zmagazynowana w jądrze w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania gamma.

Rozpad β ^_

Rozpad β ⁻ polega na przemianie jądrowej, w wyniku której neutron zostaje zastąpiony protonem. Oddziaływanie ma miejsce poprzez emisję bozonu pośredniczącego W ⁻ przez jeden z kwarków d neutronu. W ⁻ rozpada się następnie na elektron i antyneutrino elektronowe według schematu:

W rezultacie w wyniku rozpadu beta minus powstaje elektron i antyneutrino elektronowe. Rozpad β ⁻ może zachodzić również dla swobodnego neutronu.

Rozpad β ⁺

Rozpad β ⁺ polega na przemianie protonu w neutron wewnątrz jądra. Reakcja zachodzi poprzez emisję bozonu W ⁺ , który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe. Ogólne równanie tej przemiany ma postać

gdzie X i Y są jądrami - początkowym i końcowym, A oznacza liczbę nukleonów w jądrze a Z - liczbę protonów w jądrze początkowym.

Emisja gamma jest to przemiana jądrowa, podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest drugi etap opisanego niżej rozpadu kobaltu-60.

Najpierw ⁶⁰Co przekształca się w ⁶⁰Ni w wyniku przemiany beta:

Powstałe jądro niklu jest wzbudzone, czyli ma energię większą od energii takiego jądra w stanie podstawowym. Po pewnym czasie jądro przechodzi do stanu podstawowego emitując dwa fotony o dużej energii (1,17 i 1,33 MeV), będące kwantami promieniowania gamma:

Do emisji gamma dochodzi jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii wiązania ostatniego nukleonu. W przypadku gdy energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa od energii wiązania ostatniego nukleonu, większość rozpadów jądra następuje poprzez emisję nukleonu (lub nukleonów).

Promieniowanie gamma towarzyszy prawie każdej przemianie jądrowej, ale przemiany te nie są określane jako przemiany gamma.

---