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 ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจจะแสดงในรูปแบบที่คล้ายกับสมการเคมี ซึ่งมวลนิ่งจะต้องสมดุลกันสำหรับแต่ละด้านของสมการ และการแปลงของอนุภาคจะต้องเป็นไปตามกฎของการอนุรักษ์ที่แน่นอน เช่นการอนุรักษ์ของประจุและจำนวนแบริออน (จำนวนมวลอะตอมรวม) ตัวอย่างของสัญลักษณ์หนึ่งจะเป็นดังต่อไปนี้: เพื่อความสมดุลของสมการข้างต้นสำหรับมวล ประจุและเลขมวล นิวเคลียสตัวที่สองด้านขวาจะต้องมีเลขอะตอมเป็น 2 และเลขมวลเป็น 4; ดังนั้น มันจึงยังคงเป็นฮีเลียม-4 ดังนั้นสมการที่สมบูรณ์จึงเป็น: หรือเพียงแค่: แทนที่จะใช้สมการเต็มรูปแบบดังกล่าวข้างต้น ในหลาย ๆ สถานการณ์ สัญลักษณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดจะถูกใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ รูปแบบของแบบฟอร์มนี้คือ A(b,c)D เทียบเท่ากับ A + b ได้ c + D. อนุภาคเบาทั่วไปมักจะถูกย่อให้สั้นแบบนี้ โดย p สำหรับโปรตอน n สำหรับนิวตรอน d สำหรับ ดิวเทอเรียม, α แทนอนุภาคแอลฟา หรือฮีเลียม-4, β สำหรับอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอน, γ สำหรับรังสีแกมมา ฯลฯ ปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้นจะถูกเขียนเป็น Li-6(d,α)α ในปี 1917, เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดก็สามารถประสบความสำเร็จในการแปลงร่างของไนโตรเจนให้เป็นแก๊สออกซิเจนที่มหาวิทยาลัยแห่งแมนเชสเตอร์ 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 พลังงานจลน์อาจถูกปล่อยออกมาในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาคายความร้อน (อังกฤษ: exothermic reaction)) หรือพลังงานจลน์อาจจะต้องมีการใส่เข้าไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาดูดความร้อน (อังกฤษ: endothermic reaction)) ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยการอ้างอิงไปยังตารางของ'มวลนิ่งของอนุภาค' (อังกฤษ: particle rest mass) ที่แม่นยำมากต่อไปนี้ ตามตารางที่อ้างอิงถึง นิวเคลียสของ 63Li มีมวลอะตอมสัมพันธ์ที่ 6.015 หน่วยมวลอะตอม (ตัวย่อ u), ดิวเทอเรียมมี 2.014 u และนิวเคลียสของฮีเลียม-4 มี 4.0026 u ดังนั้น: ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง พลังงานสัมพันธ์ (อังกฤษ: relativistic energy) รวมจะถูกอนุรักษ์ เพราะฉะนั้น มวลนิ่ง "ที่ขาดหายไป" จึงต้องเกิดขึ้นอีกครั้งในรูปของพลังงานจลน์ที่ถูกปล่อยออกไปในระหว่างปฏิกิริยา; แหล่งที่มาของมันคือพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียส (อังกฤษ: nuclear binding energy) (พลังงานยึดเหนี่ยว, พลังงานยึดเหนี่ยวของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส มีค่าเท่ากับพลังงานที่น้อยที่สุดสำหรับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังหมายถึง พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนด้วย ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานที่ต้องใช้เพื่อแยกอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอมหรือโมเลกุล [นิวเคลียร์]) เมื่อใช้สูตรสมดุลมวล-พลังงาน E = mc² ของ Einstein ปริมาณของพลังงานที่ปล่อยออกมาก็จะสามารถกำหนดได้ ก่อนอื่นเราต้องรู้พลังงานเทียบเท่าของหนึ่งหน่วยมวลอะตอม: ดังนั้น 1 u c² = 931.49 MeV. ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับ 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV พูดอีกอย่างคือ: มวลจะลดลง 0.3% ซึ่งสอดคล้องกับ 0.3% ของ 90 PJ/กก. เท่ากับ 270 TJ/kg นี้เป็นจำนวนที่มากของพลังงานสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง จำนวนที่สูงมากนี้เป็นเพราะพลังงานยึดเหนี่ยวต่อ'นิวคลีออน'ของนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ที่สูงผิดปกติ เพราะนิวเคลียสของ He-4 เป็น "วิเศษสองเท่า" (นิวเคลียสของ He-4 จะเสถียรแบบที่ไม่ปกติและถูกผูกมัดกันไว้อย่างแน่นหนาด้วยเหตุผลเดียวกันกับที่อะตอมของฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย นั่นคือ แต่ละคู่ของโปรตอนและนิวตรอนใน He-4 ครอบครองวงโคจรนิวเคลียร์เต็ม 1s ในลักษณะเดียวกับที่คู่ของอิเล็กตรอนในอะตอมของฮีเลียมครอบครองวงโคจรอิเล็กตรอนเต็ม 1s) ด้วยเหตุนี้อนุภาคแอลฟาจะปรากฏขึ้นบ่อยครั้งทางด้านขวามือของปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์จะปรากฏขึ้นส่วนใหญ่ในหนึ่งในสามวิธีต่อไปนี้: เมื่อนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์อยู่ในสภาวะ metastable สถานะสามารถบ่งชี้ได้โดยการวางเครื่องหมายดอกจัน ("*") ถัดจากหมายเลขอะตอมของมัน พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกในที่สุดผ่านการสลายตัวของนิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear decay) ซึ่งเป็นการสลายให้กัมมันตรังสี นอกจากนี้จำนวนเล็กน้อยของพลังงานยังอาจเกิดขึ้นในรูปแบบของรังสีเอกซ์ โดยทั่วไปนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ที่มีเลขอะตอมที่แตกต่างกัน และทำให้รูปแบบของเปลือกของอิเล็กตรอนผิดไป ในขณะที่อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวมันเองและลดระดับพลังงานลง รังสีเอกซ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงภายใน (รังสีเอกซ์ที่มีเส้นการแผ่ (อังกฤษ: emission line) ที่ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน) อาจจะถูกปลดปล่อยออกมา ในการเขียนสมการการเกิดปฏิกิริยา คล้ายกับสมการทางเคมี สารหนึ่งอาจบวกเข้าไปและให้พลังงานจากปฏิกิริยาทางด้านขวา เช่น: สำหรับกรณีเฉพาะที่กล่าวถึงข้างต้น พลังงานปฏิกิริยาได้ถูกคำนวณเป็นค่า Q = 22