Reacții nucleare

Reacția nucleară este procesul în care o particulă și un nucleu interacționează prin forțe nucleare și în urma interacțiunii rezultă mai multe particule sau nuclee numite produși de reacție.

$$\begin{gathered} a+X\to b+Y \\ a - proiectil; \\ X - nucleu țintă; \\ b - particulă produsă; \\ Y - nucleu rezidual; \end{gathered}$$

Legi de conservare

1. Conservarea energiei

Energia totală a particulelor care intră în reacție este egală cu energia totală a produșilor de reacție.

$W_a+W_X=W_b+W_Y$

Energia de reacție se regăsește în variația energiei cinetice a sistemului în urma reacției nucleare. Energia de reacție este diferența dintre energiile de repaus ale produșilor de reacție și energiile de repaus ale particulelor ce intră în reacție.

$$\begin{gathered} Q=E_{c, b}+E_{c,Y}-E_{c, a}-E_{c, X} \\ Q=\left(m_a+m_X-m_b-m_Y\right)c^2 \end{gathered}$$

Dacă energia de reacție este negativă, reacția se numește endoenergetică și reacția va avea loc doar dacă energia cinetică a particulelor care intră în reacție depășește o valoare de prag:

${\left(E_{c, a}+E_{c, X}\right)}_{prag}=\left|Q\right|$

Dacă energia de reacție este pozitivă, atunci reacția se produce de la sine.

2. Conservarea impulsului

Impulsul particulelor care intră în reacție este egal cu impulsul produșilor de reacție.

$\overrightarrow{p_a}+\overrightarrow{p_X}=\overrightarrow{p_b}+\overrightarrow{p_Y}$

3. Conservarea momentului cinetic

Momentul cinetic al particulelor care intră în reacție este egal cu momentul cinetic al produșilor de reacție.

$\overrightarrow{L_a}+\overrightarrow{L_X}=\overrightarrow{L_b}+\overrightarrow{L_Y}$

4. Conservarea sarcinii electrice

Sarcina electrică a particulelor care intră în reacție este egală cu sarcina electrică a produșilor de reacție.

$Z_a+Z_X=Z_b+Z_Y$

5. Conservarea numărului de nucleoni

Într-o reacție nucleară numărul de nucleoni se conservă.

$A_a+A_X=A_b+A_Y$

Dezintegrarea nucleară

Atunci când un nucleu se descompune în produși de reacție mai stabili spunem că avem o dezintegrare nucleară.

$X\to a+Y+...$

• este spontană;
• este deterministă în sens statistic;
• respectă legile de conservare.

Radiații nucleare

Radiația γ este constituită din fotoni de energie foarte înaltă:

$X_Z^{A*}\to X_Z^A+\gamma$

Radiația α este formată din nuclee de heliu:

$X_Z^A\to X_{Z-2}^{A-4}+{\alpha }_2^4+\gamma$

Radiația β^- constă în emisia de către nucleu a unui electron:

$X_Z^A\to X_{Z+1}^A+e^{-}+\widetilde{{\nu }_0^0}$

Radiația β⁺ constă în emisia de către nucleu a unui pozitron:

$X_Z^A\to X_{Z-1}^A+e^{+}+\tilde{\nu }$

Legea dezintegrării radioactive

Legea dezintegrării radioactive descrie evoluția în funcție de timp a unui sistem format din nuclee radioactive.

$N\left(t\right)=N_0{e}^{-\lambda t}$

λ reprezintă probabilitatea ca un nucleu să se dezintegreze în unitatea de timp.

Interacțiunea radiațiilor cu substanța

Radiațiile nucleare interacționează cu substanța determinănd apariția perechilor electron-pozitron, ionizarea, efect Compton, efect fotoelectric, etc.

Radiația γ are energii foarte mari și are putere de penetrare mare. Radiația α este formată din nuclee de heliu cu viteză relativ mică, sarcină electrică 2e, masă mare 4u, putere de penetrare mică și putere de ionizare mare.

Radiația β este formată din electroni sau pozitroni care au viteză mare, sarcină electrică 1e, putere de penetrare mare, și putere mică de ionizare.

Doza de radiații este cantitatea de energie absorbită de unitatea de masă:

$$\begin{gathered} D=\frac{\Delta E}{m} \\ \left[D\right]=1Gy\left(Gray\right)=100rad=1\frac{J}{kg} \end{gathered}$$

Doza echivalentă rerprezintă efectul pe care îl are o radiație asupra materiei vii:

$$\begin{gathered} DE=D·F_{calitate} \\ \left[DE\right]=1Sv\left(Sievert\right) \end{gathered}$$

Fisiunea nucleară

Fisiunea nucleară constă în dezintegrarea unui nucleu radioactiv cu număr de masă mare în două sau mai multe nuclee intermediare și alte particule.

$U_{92}^{235}+n_0^1\to U_{92}^{*236}\to B{a}_{56}^{114}+K{r}_{36}^{89}+3n_0^1+200MeV$