Nükleer reaksiyon

Nükleer reaksiyon veya çekirdek tepkimesi, iki atom çekirdeğinin veya bir atom çekirdeğiyle atom dışından bir atomaltı parçacığın çarpışarak bir veya daha fazla yeni nüklide dönüşmeleri. Bu gibi reaksiyonlarda yer alan atomaltı parçacıklar proton, nötron veya yüksek enerjili elektron olabilir. Kimyasal reaksiyondan farkı, kimyasal reaksiyonların atomların elektronları arasında gerçekleşmesidir. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir tanecik oluşmuş olur. Bir reaksiyonun nükleer reaksiyon sayılabilmesi için en az bir nüklidin başka bir nüklide dönüşmesi gerekir; böyle bir dönüşüm gerçekleşmezse yaşanan çarpışma sürecine saçılma adı verilir. Spontane olarak gerçekleşen radyoaktif bozunma, nüklit değişimine yol açsa da nükleer reaksiyon olarak kabul edilmez.

Nükleer reaksiyonların araştırılması nükleer fizik ve parçacık fiziği alanlarının konusudur. Nükleer reaksiyonlar enerji endüstrisinde (nükleer reaktörlerde) ve nükleer tıpta kullanılan radyonüklidleri oluşturmak için kullanılır. Fisyon reaksiyonlarında fisil materyalde zincirleme nükleer reaksiyon yaşanabilir. Doğal olarak gerçekleşen nükleer reaksiyonlar arasında yıldızların enerji üretimini sağlayan füzyon reaksiyonları bulunur.

Nükleer reaksiyonlar aşağıdaki şekilde ifade edilir:

{}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{1}^{2}\mathrm {H} \rightarrow {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{2}^{4}\mathrm {He}

Burada verilen reaksiyon, lityum-6 ve döteryum (hidrojen-2) arasında gerçekleşip iki helyum-4 atomunun oluşmasına yol açmaktadır. Bu ifade şeklinde iki tarafın elektriksel yükü ve baryon sayısı (nihai atomik kütle numarası) korunmalıdır.

Nükleer reaksiyonlar enerjinin korunumu yasasıyla sınırlanır. Ekzotermik bir reaksiyonda kinetik enerji salınımı yapılır, endotermik bir reaksiyonun gerçekleşmesi için sisteme kinetik enerji verilmesi gerekir. Bu sürecin hesaplaması parçacıkların duruk kütleleri kullanılarak yapılır. Yukarıdaki örnekte lityum-6 çekirdeğinin duruk kütlesi 6.015 atomik kütle birimidir ("u" olarak kısaltılır), döteryumunki 2.014u ve helyum-4'ünki 4.0026u'dur. Bu durumda:

reaksiyona giren iki çekirdeğin toplam duruk kütlesinin toplamı = 6.015u + 2.014u = 8.029u
iki helyum-4 çekirdeğinin duruk kütlesinin toplamı = 2 × 4.0026u = 8.0052u
"kayıp" duruk kütle = 8.029u – 8.0052u = 0.0238u

Enerjinin korunumu yasası çerçevesinde buradaki "kayıp" kütle reaksiyon sırasında kinetik enerji olarak salınmış olmalıdır. Bu enerjinin kaynağı nükleer bağ enerjisidir. Kayıp enerji kütle-enerji denkliği prensibi ve Albert Einstein'ın E = mc² formülü kullanılarak hesaplanabilir.