REAKCJE JĄDROWE

    Reakcją jądrową nazywamy taką reakcję, w czasie której bombardujemy jądro atomowe cząstką o dużej energii i wywołujemy zmianę jego własności, bądź rodzaju.
    W 1919 roku Ernest Rutherford dokonał pierwszej sztucznej przemiany jądrowej. Naukowiec bombardował jądra ¹⁴₇N cząsteczkami alfa o energii 7,68MeV. W czasie tego doświadczenia zaszła reakcja jądrowa, w której otrzymał protony i jądra ¹⁷₈O:

        (1)

Reakcje tą można zapisać także w inny sposób:

        (2)

    W swoim doświadczeniu Rutherford jako źródła cząsteczek alfa używał promieniotwórczego polonu. Jednak, aby możliwe stało się przeprowadzanie i badanie reakcji jądrowych na większą skalę, potrzebne było źródło cząsteczek, które byłoby znacznie tańsze, niż substancja promieniotwórcza i które dałoby się kontrolować. Na początku lat 30-stych wprowadzono taki mechanizm uzyskiwania cząsteczek. Stosowano elektryczne wyładowania w pojemniku z rozrzedzonym wodorem. Atomy wodoru ulegały jonizacji. Uzyskiwano więc jądra wodoru - protony. Następnie protony te były rozpędzane dzięki różnicy potencjałów. Urządzeniami, w których przeprowadza się takie procesy są np. generatory Cockcrofta-Waltona, generatory Van de Graffa, czy cyklotrony.
    Reakcjami jądrowymi rządzą następujące prawa:

• Zachowanie ładunku elektrycznego. Całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa całkowitej liczbie protonów po reakcji.

• Zachowanie liczby nukleonów (protonów i neutronów). Całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same.

• Zachowanie masy-energii. Dla danego układu izolowanego podlegającego przemianie jądrowej stała jest suma energii (masa związana jest z energią przez równanie Einsteina E=mc²).

• Zachowanie pędu.

• Zachowanie momentu pędu.

    Rozpatrzmy dokładniej zasadę zachowania masy-energii. Weźmy dla przykładu tarczę ostrzeliwaną danymi cząsteczkami. Energia początkowa równa jest całkowitej energii pocisku (energii spoczynkowej- m*c² i kinetycznej cząsteczki - Ep) i energii spoczynkowej jądra tarczy - M*c² (tarcza nie porusza się nie ma więc energii kinetycznej). Energia końcowa równa jest natomiast całkowitej energii cząstki wylatującej (energii spoczynkowej - m1*c² i kinetycznej cząstki wylatującej - E_k1) i całkowitej energii jądra odrzutu (energii spoczynkowej - M1*c² i kinetycznej jądra odrzutu - E_k2). W reakcjach rozpatrywanych na początku naszego wieku cząsteczki nie miały wielkich prędkości, dlatego przy liczeniu energii mogły być traktowane klasycznie, a nie relatywistycznie. A więc:

        (3)

Możemy teraz wprowadzić wielkość Q - energię reakcji. Energia reakcji jest to energia, która odpowiada różnicy mas cząstek przed reakcją i po reakcji:

        (4)

Wartość ta jest równa sumie energii kinetycznych cząsteczek wyjściowych minus energia kinetyczna cząsteczki bombardującej:
    Jeżeli masa cząstek początkowych jest większa od masy cząstek końcowych (Q>0), to w czasie reakcji wydzieliła się pewna ilość energii. Energia ta jest różnicą pomiędzy wyjściową a wejściową energią kinetyczną cząsteczek. Reakcje jądrowe, w których tak się dzieje nazywamy reakcjami egzoenergetycznymi. Procesy takie mogą zachodzić samorzutnie.
    Przeciwnie jest w reakcjach, w których masa produktów wyjściowych jest większa od masy początkowej (Q<0). Takie reakcje zwane endoenergetycznymi nie mogą zachodzić samorzutnie. Musi zostać dostarczona energia z zewnątrz.

        (5)

Moglibyśmy przyjąć, że dla warunków granicznych zarówno E_k1 i E_k2 równają się zero (cząsteczki po reakcji nie poruszają się). Wtedy:

        (6)

    Jednak zapomnieliśmy w tych obliczeniach o innej zasadzie zachowania - zasadzie zachowania pędu. Cząstka bombardująca poruszając się z pewną prędkością musi nadać pewną prędkość jądru odrzutu i cząsteczce wyprodukowanej.

    Zgodnie z obliczeniami naukowców minimalna energia progowa potrzebna do zajścia reakcji endoenergetycznej wynosi więc:

        (7)

    Tak więc bombardując jądro atomowe cząsteczką mającą energię progową dochodzi do reakcji jądrowej.

---