Dalam fisika nuklir, reaksi nuklir adalah proses di mana dua inti atau partikel nuklir bertumbukan, untuk menghasilkan produk yang berbeda dari partikel awal.
Pada prinsipnya suatu reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel bertabrakan, tetapi peristiwa seperti itu sangat jarang terjadi. Jika partikel bertabrakan dan terpisah tanpa berubah, prosesnya disebut tumbukan elastis daripada reaksi.
Reaksi nuklir dapat diwakili oleh persamaan yang mirip dengan persamaan kimia, dan diseimbangkan secara analog. Peluruhan nuklir dapat direpresentasikan dengan cara yang sama.
Apa itu
Reaksi nuklir dianggap sebagai proses di mana dua partikel nuklir (dua inti atau satu inti dan satu inti) berinteraksi untuk menghasilkan dua atau lebih partikel nuklir atau sinar ˠ (sinar gamma). Jadi, reaksi nuklir harus menyebabkan transformasi setidaknya satu nuklida ke yang lain. Kadang-kadang jika sebuah inti berinteraksi dengan nukleus atau partikel lain tanpa mengubah sifat nuklida apa pun, proses tersebut disebut sebagai hamburan nuklir, bukan reaksi nuklir. Mungkin reaksi nuklir yang paling menonjol adalah reaksi fusi nuklir dari unsur-unsur cahaya yang menggerakkan produksi energi bintang dan Matahari. Reaksi nuklir alami terjadi juga dalam interaksi antara sinar kosmik dan materi.
Reaksi nuklir yang dikendalikan oleh manusia yang paling terkenal adalah reaksi fisi yang terjadi di reaktor nuklir. Reaktor nuklir adalah perangkat untuk memulai dan mengendalikan reaksi nuklir berantai, tetapi tidak hanya perangkat buatan manusia. Reaktor nuklir pertama di dunia beroperasi sekitar dua miliar tahun yang lalu. Reaktor nuklir alami terbentuk di Oklo di Gabon, Afrika, ketika deposit mineral kaya uranium dibanjiri air tanah yang bertindak sebagai moderator neutron, dan reaksi berantai nuklir dimulai. Reaksi fisi ini bertahan selama ratusan ribu tahun, hingga reaksi berantai tidak lagi dapat didukung. Hal ini dikonfirmasi oleh adanya isotop gas xenon produk fisi dan dengan rasio U-235 / U-238 yang berbeda (pengayaan uranium alami).
Notasi Reaksi Nuklir
Notasi nuklir standar menunjukkan (lihat gambar) simbol kimia, nomor massa dan nomor atom isotop.
Jika inti awal dilambangkan dengan a dan b, dan inti produk dilambangkan dengan c dan d, reaksi dapat diwakili oleh persamaan:
a + b → c + d
Persamaan ini menjelaskan penangkapan neutron di boron, yang diencerkan dalam pendingin. Asam borat digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir sebagai kompensator jangka panjang dari reaktivitas bahan bakar nuklir.
Alih-alih menggunakan persamaan lengkap dalam gaya di atas, dalam banyak situasi notasi kompak digunakan untuk menggambarkan reaksi nuklir. Gaya bentuk a (b, c) d ini setara dengan + b yang menghasilkan c + d. Partikel cahaya sering disingkat dalam singkatan ini, biasanya p berarti proton, n berarti neutron, d berarti deuteron, α berarti partikel alfa atau helium-4, β berarti partikel beta atau elektron, γ berarti gamma foton, dll. Reaksi di atas akan ditulis sebagai 10B (n, α) 7Li.
Klasifikasi Dasar Reaksi Nuklir
Untuk memahami sifat reaksi nuklir neutron, klasifikasi menurut skala waktu reaksi ini harus diperkenalkan. Waktu interaksi sangat penting untuk menentukan mekanisme reaksi.
Ada dua skenario ekstrem untuk reaksi nuklir (tidak hanya reaksi neutron):
- Sebuah proyektil dan inti target berada dalam kisaran gaya nuklir untuk waktu yang sangat singkat sehingga memungkinkan interaksi hanya dengan satu nukleon. Jenis reaksi ini disebut reaksi langsung.
- Sebuah proyektil dan target nukleus berada dalam jangkauan kekuatan nuklir untuk waktu yang memungkinkan untuk sejumlah besar interaksi antara nukleon. Jenis reaksi ini disebut reaksi inti campuran.
Faktanya, selalu ada beberapa komponen non-direct (interaksi internuklear) dalam semua reaksi, tetapi reaksi langsung membatasi komponen ini.
Jenis Reaksi Nuklir
Meskipun jumlah kemungkinan reaksi nuklir sangat besar, reaksi nuklir dapat diurutkan berdasarkan jenisnya. Sebagian besar reaksi nuklir disertai dengan emisi gamma. Beberapa contoh adalah:
- Hamburan elastis. Terjadi, ketika tidak ada energi yang ditransfer antara inti target dan partikel insiden. 208Pb (n, n) 208Pb
- Hamburan tidak elastis. Terjadi, ketika energi ditransfer. Perbedaan energi kinetik disimpan dalam nuklida tereksitasi. 40Ca (α, α ’) 40mCa
- Reaksi penangkapan. Partikel bermuatan dan netral dapat ditangkap oleh inti. Ini disertai dengan emisi sinar-.. Reaksi penangkapan neutron menghasilkan nuklida radioaktif (induced radioactivity). 238U (n, ˠ) 239U
- Reaksi Transfer. Penyerapan partikel yang disertai dengan emisi satu atau lebih partikel disebut reaksi transfer. 4He (α, p) 7Li
- Reaksi fisi. Fisi nuklir adalah reaksi nuklir di mana inti atom membelah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (inti yang lebih ringan). Proses fisi sering menghasilkan neutron dan foton bebas (dalam bentuk sinar gamma), dan melepaskan sejumlah besar energi. 235U (n, 3 n) Produk fisi
- Reaksi fusi. Terjadi ketika, dua atau lebih inti atom bertabrakan pada kecepatan yang sangat tinggi dan bergabung untuk membentuk jenis inti atom baru. Reaksi fusi deuterium dan tritium sangat menarik karena potensinya menyediakan energi untuk masa depan. 3T (d, n) 4He
- Reaksi spallation. Terjadi, ketika sebuah inti dihantam oleh partikel dengan energi dan momentum yang cukup untuk menghancurkan beberapa fragmen kecil atau, menghancurkannya menjadi banyak fragmen.
- Peluruhan nuklir (peluruhan radioaktif). Terjadi ketika atom yang tidak stabil kehilangan energi dengan memancarkan radiasi pengion. Peluruhan radioaktif adalah proses acak pada tingkat atom tunggal, dalam hal itu, menurut teori kuantum, tidak mungkin untuk memprediksi kapan atom tertentu akan membusuk. Ada banyak jenis peluruhan radioaktif:
Radioaktivitas alfa. Partikel alha terdiri dari dua proton dan dua neutron yang terikat bersama menjadi sebuah partikel yang identik dengan inti helium. Karena massanya yang sangat besar (lebih dari 7000 kali massa partikel beta) dan muatannya, beratnya bahan terionisasi dan memiliki jangkauan yang sangat pendek.
Radioaktivitas beta. Partikel beta adalah elektron atau positron berenergi tinggi berkecepatan tinggi yang dipancarkan oleh jenis inti radioaktif tertentu seperti kalium-40. Partikel beta memiliki jangkauan penetrasi yang lebih besar daripada partikel alfa, tetapi masih jauh lebih sedikit daripada sinar gamma. Partikel beta yang dipancarkan adalah bentuk radiasi pengion yang juga dikenal sebagai sinar beta. Produksi partikel beta disebut peluruhan beta.
Radioaktivitas gamma. Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetik dari frekuensi yang sangat tinggi dan karenanya merupakan foton energi tinggi. Mereka diproduksi oleh peluruhan inti ketika mereka beralih dari keadaan energi tinggi ke keadaan lebih rendah yang dikenal sebagai peluruhan gamma. Sebagian besar reaksi nuklir disertai dengan emisi gamma.
- Emisi neutron. Emisi neutron adalah jenis peluruhan radioaktif dari nuklei yang mengandung kelebihan neutron (terutama produk fisi), di mana neutron dikeluarkan dari nukleus. Jenis radiasi ini memainkan peran kunci dalam kontrol reaktor nuklir, karena neutron ini adalah neutron yang tertunda.
Hukum Kekekalan dalam Reaksi Nuklir
Dalam menganalisis reaksi nuklir, kita menerapkan banyak hukum kekekalan. Reaksi nuklir tunduk pada hukum kekekalan klasik untuk muatan, momentum, momentum sudut, dan energi (termasuk energi diam). Hukum kekekalan tambahan, yang tidak diantisipasi oleh fisika klasik, adalah:
- Hukum kekekalan Jumlah Lepton
- Hukum kekekalan Jumlah Baryon
- Hukum kekekalan Muatan Listrik