Reakcje jądrowe obejmują zmiany w jądrze atomu i często powodują emisję promieniowania. Procesy te mają fundamentalne znaczenie dla fizyki jądrowej i mają zarówno zastosowania praktyczne, jak i zjawiska naturalne. Zrozumienie rodzajów reakcji jądrowych, w tym radioaktywności, pozwala uzyskać wgląd w sposób wytwarzania energii w gwiazdach, sposób datowania starożytnych artefaktów oraz zasady stojące za energią jądrową i bronią.
Istnieje kilka kluczowych typów reakcji jądrowych: synteza, rozszczepienie i rozpad radioaktywny. Fuzja polega na łączeniu lżejszych jąder w cięższe jądro, uwalniając energię. Rozszczepienie to podział ciężkiego jądra na lżejsze jądra, co również powoduje uwolnienie energii. Rozpad radioaktywny to spontaniczny proces, w wyniku którego niestabilne jądro atomowe traci energię w wyniku emisji promieniowania.
Radioaktywność to naturalny proces, podczas którego niestabilne jądra atomowe samoistnie rozpadają się, tworząc stabilne jądra, uwalniając jednocześnie energię w postaci promieniowania. Istnieją trzy podstawowe rodzaje promieniowania: cząstki alfa (α), cząstki beta (β) i promienie gamma (γ) .
Rozpad radioaktywny jest procesem losowym na poziomie pojedynczych atomów, co oznacza, że nie da się dokładnie przewidzieć, kiedy dany atom ulegnie rozpadowi. Jednakże w przypadku dużej liczby atomów szybkość rozpadu można opisać za pomocą miary statystycznej zwanej okresem półtrwania .
Okres półtrwania izotopu to czas potrzebny do rozpadu połowy atomów radioaktywnych w próbce. Jest oznaczony symbolem \(T_{1/2}\) i różni się znacznie w zależności od różnych izotopów. Na przykład okres półtrwania węgla-14 ( \(^{14}\textrm{C}\) ) wynosi około 5730 lat, podczas gdy okresu półtrwania uranu-238 ( \(^{238}\textrm{U}\) ) wynosi około 4,5 miliarda lat.
Szybkość rozpadu substancji radioaktywnej jest wprost proporcjonalna do liczby obecnych atomów radioaktywnych. Zależność tę opisuje się matematycznie równaniem:
\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)Gdzie:
Całkując to równanie różniczkowe, otrzymujemy prawo zaniku wykładniczego:
\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)gdzie \(N_0\) jest początkową ilością substancji. Równanie to pokazuje wykładniczy charakter rozpadu promieniotwórczego, w którym ilość nierozłożonego materiału maleje wykładniczo w czasie.
Radioaktywność ma kilka ważnych zastosowań:
Kilka kluczowych eksperymentów pogłębiło naszą wiedzę na temat radioaktywności. Historycznym przykładem jest eksperyment ze złotą folią Ernesta Rutherforda, w którym cząstki alfa badały strukturę atomu. Eksperyment ten dostarczył dowodów na istnienie jądra atomowego.
W placówkach edukacyjnych radioaktywność można wykazać przy użyciu bezpiecznych źródeł promieniotwórczych i detektorów. Na przykład uczniowie mogą zmierzyć okres półtrwania znanej próbki promieniotwórczej za pomocą licznika Geigera w celu wykrycia emitowanego promieniowania i wykreślenia krzywej zaniku w czasie.
Radioaktywność, z jej różnymi formami i zastosowaniami, to podstawowe pojęcie w fizyce jądrowej, zapewniające wgląd w siły utrzymujące jądro razem oraz procesy, które mogą zmieniać jądra atomowe. Jego badania doprowadziły do znacznego postępu w nauce, technologii i medycynie.
