Nuklearne reakcije uključuju promjene u jezgri atoma i često rezultiraju emisijom zračenja. Ti su procesi temeljni za nuklearnu fiziku i imaju praktičnu primjenu i prirodne pojave. Razumijevanje vrsta nuklearnih reakcija, uključujući radioaktivnost, nudi uvid u to kako se energija stvara u zvijezdama, kako su datirani drevni artefakti i principe iza nuklearne energije i oružja.
Postoji nekoliko ključnih vrsta nuklearnih reakcija: fuzija, fisija i radioaktivni raspad. Fuzija uključuje spajanje lakših jezgri u težu jezgru, oslobađajući energiju. Fisija je cijepanje teške jezgre na lakše jezgre, pri čemu se također oslobađa energija. Radioaktivni raspad je spontani proces kojim nestabilna atomska jezgra gubi energiju emitirajući zračenje.
Radioaktivnost je prirodni proces u kojem se nestabilne atomske jezgre spontano raspadaju, stvarajući stabilne jezgre uz oslobađanje energije u obliku zračenja. Postoje tri osnovne vrste zračenja: alfa (α) čestice, beta (β) čestice i gama (γ) zrake .
Radioaktivni raspad je nasumičan proces na razini pojedinačnih atoma, što znači da je nemoguće točno predvidjeti kada će se određeni atom raspasti. Međutim, za veliki broj atoma, brzina raspada može se opisati statističkom mjerom poznatom kao poluživot .
Vrijeme poluraspada izotopa je vrijeme potrebno da se polovica radioaktivnih atoma u uzorku raspadne. Označava se simbolom \(T_{1/2}\) i značajno varira među različitim izotopima. Na primjer, poluživot ugljika-14 ( \(^{14}\textrm{C}\) ) je približno 5730 godina, dok je poluživot uranija-238 ( \(^{238}\textrm{U}\) ) je oko 4,5 milijardi godina.
Brzina raspada radioaktivne tvari izravno je proporcionalna broju prisutnih radioaktivnih atoma. Ovaj odnos je matematički opisan jednadžbom:
\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)gdje:
Integrirajući ovu diferencijalnu jednadžbu, dobivamo eksponencijalni zakon opadanja:
\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)gdje je \(N_0\) početna količina tvari. Ova jednadžba pokazuje eksponencijalnu prirodu radioaktivnog raspada, gdje se količina neraspadnutog materijala eksponencijalno smanjuje tijekom vremena.
Radioaktivnost ima nekoliko važnih primjena:
Nekoliko ključnih eksperimenata unaprijedilo je naše razumijevanje radioaktivnosti. Jedan povijesni primjer je eksperiment sa zlatnom folijom Ernesta Rutherforda, koji je koristio alfa čestice za ispitivanje strukture atoma. Ovaj pokus pružio je dokaze o postojanju atomske jezgre.
U obrazovnom okruženju, radioaktivnost se može pokazati korištenjem sigurnih radioaktivnih izvora i detektora. Na primjer, učenici mogu izmjeriti poluživot poznatog radioaktivnog uzorka koristeći Geigerov brojač za otkrivanje emitiranog zračenja i iscrtavanje krivulje raspada tijekom vremena.
Radioaktivnost, sa svojim različitim oblicima i primjenama, temeljni je koncept nuklearne fizike, pružajući uvid u sile koje drže jezgru na okupu i procese koji mogu promijeniti atomske jezgre. Njegovo proučavanje dovelo je do značajnog napretka u znanosti, tehnologiji i medicini.
