ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear reaction) ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์และเคมีนิวเคลียร์ หมายถึงกระบวนการที่นิวเคลียส 2 ตัวของอะตอมเดียวกัน หรือนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งและอนุภาคย่อย ของอีกอะตอมหนึ่งจากภายนอกอะตอมนั้น ชนกัน ทำให้เกิดนิวเคลียสใหม่หนึ่งตัวหรือมากกว่าหนึ่งตัวที่มีจำนวนอนุภาคย่อยแตกต่างจากนิวเคลียสที่เริ่มต้นกระบวนการ ดังนั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์จะต้องทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอย่างน้อยหนึ่งนิวไคลด์ ไปเป็นอย่างอื่น หากนิวเคลียสหนึ่งมีปฏิกิริยากับอีกนิวเคลียสหนึ่งหรืออนุภาคอื่นและพวกมันก็แยกออกจากกันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงลักษณะของนิวไคลด์ใด ๆ กระบวนการนี้เป็นแต่เพียงประเภทหนึ่งของการกระเจิงของนิวเคลียสเท่านั้น ไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในหลักการ ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นจากการชนกันของอนุภาคมากกว่าสองอนุภาค แต่เป็นไปได้น้อยมากที่นิวเคลียสมากกว่าสองตัวจะมาชนกันในเวลาเดียวกันและสถานที่เดียวกัน เหตุการณ์ดังกล่าวจึงเป็นของหายากเป็นพิเศษ (ดูกระบวนการสามอัลฟา ซึ่งเป็นตัวอย่างหนึ่งที่ใกล้เคียงกับการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์สามเส้า) "ปฏิกิริยานิวเคลียร์" เป็นคำที่หมายความถึงการเปลี่ยนแปลงที่"ถูกเหนี่ยวนำให้เกิด"ในนิวไคลด์ ดังนั้นมันจึงไม่สามารถนำไปใช้กับการสลายกัมมันตรังสีชนิดใด ๆ ได้ (เพราะโดยคำจำกัดความแล้ว การสลายกัมมันตรังสีเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง)
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธรรมชาติจะเกิดขึ้นจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีคอสมิกและสสาร และปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อให้ได้พลังงานนิวเคลียร์ในอัตราที่ปรับได้ตามความต้องการ บางทีปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่โดดเด่นมากที่สุดจะเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในวัสดุที่แตกตัวได้ (อังกฤษ: fissionable material) เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นและปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันต่างๆขององค์ประกอบเบาที่ผลิตพลังงานให้กับดวงอาทิตย์และดวงดาวทั้งหลาย ทั้งสองประเภทในการเกิดปฏิกิริยานี้ถูกใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์

ประวัติ

ในปี 1917, เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดก็สามารถประสบความสำเร็จในการแปลงร่างของไนโตรเจนให้เป็นก๊าซออกซิเจนที่มหาวิทยาลัยแห่งแมนเชสเตอร์ โดยการใช้อนุภาคแอลฟายิงไปที่ไนโตรเจน ¹⁴N + α → ¹⁷O + p นี่เป็นการสังเกตครั้งแรกของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น, นั่นคือ, ปฏิกิริยาที่อนุภาคจากการสลายตัวหนึ่งถูกใช้ในการแปลงให้เป็นอีกนิวเคลียสหนึ่ง ในที่สุดในปี 1932 ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, ปฏิกิริยานิวเคลียร์และการแปลงพันธ์ทางนิวเคลียร์ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างสมบูรณ์ถูกทำได้สำเร็จโดยเพื่อนร่วมงานของรัทเธอร์ฟอร์ด นายจอห์น Cockcroft และนายเออร์เนส วอลตัน พวกเขาใช้โปรตอนที่ถูกเร่งความเร็วแบบประดิษฐ์ยิงเข้าใส่ลิเธียม-7 เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นสองอนุภาคแอลฟา การทดลองนี้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายว่าเป็น "การแยกอะตอม" แม้ว่ามันจะไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นแบบทันสมัยที่มีการค้นพบภายหลังในปี 1938 ในองค์ประกอบหนักโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน นายอ็อตโต ฮาห์นและนายฟริตซ์ Straßmann

อัตราการเกิดปฏิกิริยา

ถ้าสมการของการเกิดปฏิกิริยามีความสมดุล มันไม่ได้หมายความว่าปฏิกิริยาได้เกิดขึ้นจริง อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคและฟลักซ์ของอนุภาคและภาคตัดขวางของปฏิกิริยา ตัวอย่างหนึ่งของพื้นที่เก็บขนาดใหญ่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือฐานข้อมูล REACLIB ที่ได้รับการดูแลรักษาโดยสถาบันร่วมสำหรับดาราศาสตร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ปฏิกิริยาโดยตรง

การยิงด้วยพลังงานปานกลางจะถ่ายเทพลังงานหรือได้รับนิวคลีออนหรือสูญเสียนิวคลีออนให้กับนิวเคลียสในการกระทบกันอย่างรวดเร็วเพียงครั้งเดียว (10⁻²¹ วินาที) การถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่ก็เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ เพราะกลไกการเกิดปฏิกิริยามักจะง่ายพอที่จะคำนวณด้วยความถูกต้องเพียงพอที่จะตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสเป้าหมาย

ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบผสม

การถ่ายโอนพลังงานไปให้กับนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นได้โดยการยิงด้วยกระสุนพลังงานต่ำหรือด้วยอนุภาคพลังงานสูง ทำให้เกิดพลังงานบนนิวเคลียสจำนวนมากเกินไปที่จะผูกพันอนุภาคภายในนิวเคลียสนั้นให้สามารถเกาะกลุ่มร่วมกันได้อย่างเต็มที่ ในระดับเวลาประมาณ 10⁻¹⁹ วินาที อนุภาค มักจะเป็นนิวตรอน จะถูก "ต้ม" จนแตกออก นั่นคือมันจะยังคงเกาะติดอยู่ด้วยกันจนกระทั่งพลังงานที่มากพอปรากฏขึ้นบนนิวตรอนจนมีความเข้มข้นพอที่นิวตรอนนั้นจะหลุดออกจากแรงดึงดูดที่มีร่วมกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะยากที่จะถูกต้มจนแตกออกอันเนื่องมาจากเครื่องกั้นของคูลอมบ์ (อังกฤษ: coulomb barrier) นิวเคลียสกึ่งผูกพันที่ถูกกระตุ้นจะถูกเรียกว่า นิวเคลียสผสม (อังกฤษ: compound nucleus)
(e, e' xn), (γ, xn) ที่มีพลังงานต่ำ (xn หมายถึงนิวตรอนหนึ่งหรือมากกว่า) เมื่อรังสีแกมมาหรือ'พลังงานรังสีแกมมาเสมือน' อยู่ใกล้กับ giant dipole resonance พลังงานหรือรังสีเหล่านี้จะเพิ่มความจำเป็นสำหรับ'การป้องกันรังสี'รอบ'เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน'
ข้อมูลเพิ่มเติม: การแบ่งแยกนิวเคลียส