ปฏิกิริยานิวเคลียร์

     ปฎิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงาน ในทุกสมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลบวกของเลขอะตอมทั้งก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน ซึ่ง แสดงว่าประจุไฟฟ้ารวมมีค่าคงตัว และผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาก็จะต้องเท่ากัน ด้วย ซึ่งแสดงว่า จำนวนนิวคลีออนรวมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องคงตัว

           ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ มวลรวมหลังเกิดปฏิกิริยามักจะน้อยกว่ามวลรวมตอนเริ่มต้น มวลที่หายไปในปฏิกิริยานี้เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานตามสมการของไอน์สไตน์ สมการนี้อธิบายการสลายตัวให้กัมมันตภาพรังสีได้ด้วย คือมวลหายไปเปลี่ยนเป็นพลังงานของ กัมมันตภาพรังสีที่ปลดปล่อยออกมา รวมทั้งการที่มวลรวมของนิวคลีออนหายไปเมื่อรวมตัวกัน เป็นนิวเคลียส ก็อธิบายได้ว่าเปลี่ยนไปเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว

พลังงานที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเรียกว่า Reaction Energy ใช้สัญลักษณ์  สมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ สามารถเขียนได้ในรูป

         หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งเป็น         

         เมื่อ          แทน นิวเคลียสที่เป็นเป้า (นิวเคลียสธาตุเดิม)
                        แทน อนุภาคที่เข้าชนเป้า
                       แทน นิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากการชน (นิวเคลียสธาตุใหม่)
                       แทน อนุภาคที่เกิดใหม่จากการชน
               
         เช่น          
         เนื่องจากมวลนิวเคลียสมีค่าน้อยเมื่อคิดหน่วยเป็นกิโลกรัม จึงมีการกำหนดหน่วยใหม่เพื่อ ใช้ในการนี้เป็น  u

โดยที่กำหนด   มีมวล 12u นั่นคือ 1u = 1.66x10-27 kg  หาก มวล 1u หายไปในปฏิกิริยา จะเกิดพลังงาน
             จูล    

            ปฏิกิริยานิวเคลียร์มี 2 แบบ คือ ฟิชชัน และ ฟิวชัน

      ฟิชชัน 
      ฟิชชัน คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากนิวเคลียสของธาตุหนักแตกตัวเป็น นิวเคลียสขนาด เล็กลง เช่น การยิงนิวเคลียส ของธาตุยูเรเนียมด้วยนิวตรอน เป็นไปตามสมการ

                    พลังงาน 

ซึ่ง   และ   เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี ซึ่งจะสลายต่อไปโดยให้รังสีบีตา ออกมา

รูป 10 แสดงการเกิดฟิชชันของยูเรเนียม -235

        นิวตรอนใหม่ 3 ตัวที่เกิดขึ้น อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) เมื่อมีอนุภาค ยูเรเนียม-235 อยู่ข้างคียง

รูป 11 การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

         ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ได้พลังงานมหาศาล โดยที่มนุษย์ไม่อาจควบคุมได้ เรียกว่า ระเบิด ปรมาณู ซึ่งนำมาใช้ในสงครามโลกครั้งที่ 2 การสู้รบจึงยุติลงได้ ต่อมามนุษย์สามารถ ควบคุมได้ทั้งจำนวนนิวตรอน และพลังจากปฏิกิริยาฟิชชัน แบบปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นผลสำเร็จ ด้วย การคิดค้นอุปกรณ์ที่เรียกชื่อว่า เครื่องปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reactor) การควบคุมทำได้โดย การลดจำนวนนิวตรอนด้วยการใช้น้ำมาดูดกลืนนิวตรอน

ฟิวชัน

รูป 12 แสดงการเกิดฟิวชัน

        ฟิวชัน คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียส ขนาดเล็กเข้าด้วยกัน ได้
นิวเคลียสของธาตุที่หนักกว่า และปลดปล่อยพลังงานออกมา เช่น

                                   
                                 

         ปฏิกิริยาแรกคือ ดิวเทอเรียม 2 ตัวหลอมรวมกันเป็นไอโซโทปของฮีเลียม -3 กับนิวตรอน และ ให้พลังงาน 3.3 MeV เปรียบเทียบพลังงานที่เกิดในแต่ละครั้ง จากปฏิกิริยาฟิวชันได้น้อยกว่า ปฏิกิริยาฟิชชัน แต่ถ้าคิดพลังงานต่อมวล พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันมีค่ามากกว่าดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์เกิดปฏิกิริยาฟิวชันจากการทดลองไฮโดรเจน 4 ตัวเข้าไปเป็น ฮีเลียม

                                      
            คือ โปซิตรอน (Positron) เป็นอนุภาคที่มีขนาดเท่ากับอิเล็กตรอนแต่มีประจุ + 1e