واکنش های هسته ای شامل تغییراتی در هسته اتم است و اغلب منجر به انتشار تشعشع می شود. این فرآیندها برای فیزیک هسته ای اساسی هستند و هم کاربردهای عملی و هم رویدادهای طبیعی دارند. درک انواع واکنش‌های هسته‌ای، از جمله رادیواکتیویته، بینشی در مورد چگونگی تولید انرژی در ستارگان، چگونگی تاریخ‌گذاری آثار باستانی و اصول پشتوانه انرژی و سلاح‌های هسته‌ای ارائه می‌دهد.
انواع مختلفی از واکنش های هسته ای وجود دارد: همجوشی، شکافت، و واپاشی رادیواکتیو. همجوشی شامل ترکیب هسته‌های سبک‌تر برای تشکیل یک هسته سنگین‌تر و آزاد شدن انرژی است. شکافت عبارت است از تقسیم یک هسته سنگین به هسته های سبک تر و همچنین آزاد شدن انرژی. واپاشی رادیواکتیو فرآیندی خود به خودی است که در آن یک هسته اتمی ناپایدار با انتشار تشعشع انرژی خود را از دست می دهد.
رادیواکتیویته یک فرآیند طبیعی است که در آن هسته های اتمی ناپایدار به طور خود به خود شکسته می شوند و هسته های پایداری را تشکیل می دهند در حالی که انرژی را به شکل تابش آزاد می کنند. سه نوع اصلی تابش وجود دارد: ذرات آلفا (α)، ذرات بتا (β) و پرتوهای گاما (γ) .
واپاشی رادیواکتیو یک فرآیند تصادفی در سطح اتم های منفرد است، به این معنی که نمی توان دقیقاً زمانی که یک اتم خاص تجزیه می شود، پیش بینی کرد. با این حال، برای تعداد زیادی از اتم‌ها، نرخ واپاشی را می‌توان با معیاری آماری که به نام نیمه عمر شناخته می‌شود، توصیف کرد.
نیمه عمر یک ایزوتوپ زمان لازم برای تجزیه نیمی از اتم های رادیواکتیو در نمونه است. با نماد \(T_{1/2}\) نشان داده می شود و بین ایزوتوپ های مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. به عنوان مثال، نیمه عمر کربن-14 ( \(^{14}\textrm{سی}\) ) تقریباً 5730 سال است، در حالی که نیمه عمر اورانیوم-238 ( \(^{238}\textrm{U}\) ) حدود 4.5 میلیارد سال است.
سرعت تجزیه یک ماده رادیواکتیو با تعداد اتم های رادیواکتیو موجود رابطه مستقیم دارد. این رابطه به صورت ریاضی با معادله توصیف می شود:
\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)جایی که:
با ادغام این معادله دیفرانسیل، قانون فروپاشی نمایی را بدست می آوریم:
\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)که در آن \(N_0\) مقدار اولیه ماده است. این معادله ماهیت نمایی واپاشی رادیواکتیو را نشان می دهد، که در آن مقدار مواد پوسیده نشده در طول زمان به طور تصاعدی کاهش می یابد.
رادیواکتیویته چندین کاربرد مهم دارد:
چندین آزمایش کلیدی درک ما را از رادیواکتیویته ارتقا داده است. یک نمونه تاریخی، آزمایش ورقه طلا ارنست رادرفورد است که از ذرات آلفا برای بررسی ساختار اتم استفاده کرد. این آزمایش شواهدی برای وجود هسته اتم ارائه کرد.
در محیط های آموزشی، رادیواکتیویته را می توان با استفاده از منابع و آشکارسازهای رادیواکتیو ایمن نشان داد. به عنوان مثال، دانش آموزان می توانند نیمه عمر یک نمونه رادیواکتیو شناخته شده را با استفاده از شمارنده گایگر برای تشخیص تابش ساطع شده و رسم منحنی فروپاشی در طول زمان اندازه گیری کنند.
رادیواکتیویته، با اشکال و کاربردهای مختلف آن، یک مفهوم اساسی در فیزیک هسته ای است که بینش هایی را در مورد نیروهایی که هسته را در کنار هم نگه می دارند و فرآیندهایی که می توانند هسته های اتمی را تغییر می دهند، ارائه می دهد. مطالعه آن منجر به پیشرفت های چشمگیری در علم، فناوری و پزشکی شده است.
