Phản ứng hạt nhân liên quan đến những thay đổi trong hạt nhân nguyên tử và thường dẫn đến sự phát xạ. Những quá trình này là nền tảng của vật lý hạt nhân và có cả ứng dụng thực tế lẫn sự xuất hiện tự nhiên. Hiểu biết về các loại phản ứng hạt nhân, bao gồm cả phóng xạ, mang lại cái nhìn sâu sắc về cách năng lượng được tạo ra trong các ngôi sao, các hiện vật cổ xưa được xác định niên đại như thế nào cũng như các nguyên tắc đằng sau năng lượng hạt nhân và vũ khí.
Có một số loại phản ứng hạt nhân chính: phản ứng tổng hợp, phân hạch và phân rã phóng xạ. Sự nhiệt hạch liên quan đến việc kết hợp các hạt nhân nhẹ hơn để tạo thành hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng. Phân hạch là sự tách hạt nhân nặng thành hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng năng lượng. Phân rã phóng xạ là một quá trình tự phát trong đó hạt nhân nguyên tử không ổn định mất năng lượng do phát ra bức xạ.
Phóng xạ là một quá trình tự nhiên trong đó hạt nhân nguyên tử không ổn định tự phân hủy, tạo thành hạt nhân ổn định đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ. Có ba loại bức xạ chính: hạt alpha (α), hạt beta (β) và tia gamma (γ) .
Phân rã phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên ở cấp độ từng nguyên tử, nghĩa là không thể dự đoán chính xác khi nào một nguyên tử cụ thể sẽ phân rã. Tuy nhiên, đối với một số lượng lớn nguyên tử, tốc độ phân rã có thể được mô tả bằng thước đo thống kê gọi là chu kỳ bán rã .
Chu kỳ bán rã của một đồng vị là thời gian cần thiết để một nửa số nguyên tử phóng xạ trong mẫu phân rã. Nó được biểu thị bằng ký hiệu \(T_{1/2}\) và thay đổi đáng kể giữa các đồng vị khác nhau. Ví dụ: chu kỳ bán rã của Carbon-14 ( \(^{14}\textrm{C}\) ) là khoảng 5730 năm, trong khi đó của Uranium-238 ( \(^{238}\textrm{bạn}\) ) là khoảng 4,5 tỷ năm.
Tốc độ phân rã của chất phóng xạ tỷ lệ thuận với số lượng nguyên tử phóng xạ có mặt. Mối quan hệ này được mô tả về mặt toán học bằng phương trình:
\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)Ở đâu:
Tích hợp phương trình vi phân này, chúng ta thu được định luật phân rã theo cấp số nhân:
\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)trong đó \(N_0\) là lượng chất ban đầu. Phương trình này thể hiện tính chất hàm mũ của sự phân rã phóng xạ, trong đó lượng vật chất chưa phân rã giảm theo hàm mũ theo thời gian.
Phóng xạ có một số ứng dụng quan trọng:
Một số thí nghiệm quan trọng đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về tính phóng xạ. Một ví dụ lịch sử là thí nghiệm lá vàng của Ernest Rutherford, thí nghiệm sử dụng các hạt alpha để thăm dò cấu trúc của nguyên tử. Thí nghiệm này cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử.
Trong môi trường giáo dục, hoạt độ phóng xạ có thể được chứng minh bằng cách sử dụng các nguồn và máy dò phóng xạ an toàn. Ví dụ, học sinh có thể đo chu kỳ bán rã của một mẫu phóng xạ đã biết bằng máy đếm Geiger để phát hiện bức xạ phát ra và vẽ đường cong phân rã theo thời gian.
Phóng xạ, với nhiều dạng và ứng dụng khác nhau, là một khái niệm cơ bản trong vật lý hạt nhân, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các lực giữ hạt nhân lại với nhau và các quá trình có thể làm thay đổi hạt nhân nguyên tử. Nghiên cứu của nó đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong khoa học, công nghệ và y học.
