ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอม และมักส่งผลให้เกิดการแผ่รังสี กระบวนการเหล่านี้เป็นพื้นฐานของฟิสิกส์นิวเคลียร์และมีทั้งการใช้งานจริงและเหตุการณ์ตามธรรมชาติ การทำความเข้าใจประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์ รวมถึงกัมมันตภาพรังสี ช่วยให้เข้าใจถึงวิธีการสร้างพลังงานในดวงดาว สิ่งประดิษฐ์โบราณมีอายุได้อย่างไร และหลักการเบื้องหลังพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธ
ปฏิกิริยานิวเคลียร์มีหลายประเภทที่สำคัญ ได้แก่ ฟิวชัน ฟิชชัน และการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ฟิวชั่น เกี่ยวข้องกับการรวมนิวเคลียสที่เบากว่าเข้าด้วยกันเพื่อสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่าและปล่อยพลังงานออกมา ฟิชชัน คือการแบ่งนิวเคลียสหนักออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า และปล่อยพลังงานออกมาด้วย การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองซึ่งนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรจะสูญเสียพลังงานโดยการเปล่งรังสี
กัมมันตภาพรังสี เป็นกระบวนการทางธรรมชาติที่นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรจะสลายตัวไปเองตามธรรมชาติ กลายเป็นนิวเคลียสที่เสถียรพร้อมทั้งปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสี รังสีมีสามประเภทหลัก: อนุภาคอัลฟ่า (α) อนุภาคเบตา (β) และรังสีแกมมา (γ)
การสลายกัมมันตภาพรังสีเป็นกระบวนการสุ่มในระดับอะตอมเดี่ยวๆ ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะคาดการณ์ได้อย่างแน่ชัดว่าอะตอมจะสลายตัวเมื่อใด อย่างไรก็ตาม สำหรับอะตอมจำนวนมาก อัตราการสลายตัวสามารถอธิบายได้ด้วยการวัดทางสถิติที่เรียกว่า ครึ่งชีวิต
ครึ่งชีวิต ของไอโซโทปคือเวลาที่ต้องใช้ในการสลายอะตอมกัมมันตภาพรังสีครึ่งหนึ่งในตัวอย่าง แสดงด้วยสัญลักษณ์ \(T_{1/2}\) และแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญตามไอโซโทปต่างๆ ตัวอย่างเช่น ครึ่งชีวิตของคาร์บอน-14 ( \(^{14}\textrm{ค}\) ) อยู่ที่ประมาณ 5,730 ปี ในขณะที่ครึ่งชีวิตของยูเรเนียม-238 ( \(^{238}\textrm{ยู}\) ) มีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปี
อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอะตอมกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ ความสัมพันธ์นี้อธิบายทางคณิตศาสตร์ด้วยสมการ:
\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)ที่ไหน:
เมื่อรวมสมการเชิงอนุพันธ์นี้เข้าด้วยกัน เราจะได้กฎการสลายตัวแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล:
\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)โดยที่ \(N_0\) คือปริมาณเริ่มต้นของสาร สมการนี้แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของการสลายกัมมันตภาพรังสีแบบเอกซ์โพเนนเชียล โดยที่ปริมาณของวัสดุที่ไม่สลายตัวจะลดลงแบบทวีคูณเมื่อเวลาผ่านไป
กัมมันตภาพรังสีมีการใช้งานที่สำคัญหลายประการ:
การทดลองสำคัญๆ หลายประการทำให้เราเข้าใจเรื่องกัมมันตภาพรังสีมากขึ้น ตัวอย่างทางประวัติศาสตร์อย่างหนึ่งคือการทดลองฟอยล์สีทองของเออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด ซึ่งใช้อนุภาคแอลฟาในการตรวจสอบโครงสร้างของอะตอม การทดลองนี้เป็นหลักฐานของการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอม
ในสถานศึกษา กัมมันตภาพรังสีสามารถแสดงให้เห็นได้โดยใช้แหล่งกัมมันตภาพรังสีที่ปลอดภัยและเครื่องตรวจจับ ตัวอย่างเช่น นักเรียนสามารถวัดครึ่งชีวิตของตัวอย่างกัมมันตรังสีที่รู้จักได้โดยใช้เครื่องนับไกเกอร์เพื่อตรวจจับรังสีที่ปล่อยออกมาและวางแผนกราฟการสลายตัวเมื่อเวลาผ่านไป
กัมมันตภาพรังสีซึ่งมีรูปแบบและการประยุกต์ที่หลากหลาย เป็นแนวคิดพื้นฐานในฟิสิกส์นิวเคลียร์ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับแรงที่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกันและกระบวนการที่สามารถเปลี่ยนนิวเคลียสของอะตอมได้ การศึกษาได้นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และการแพทย์
