واکنش‌های هسته‌ای

نوار پایداری

بر خی از ایزوتوپ ها نسبت به بقیه پایدارتر هستند.

پایداری آنها با نسبت تعداد نوترون ها به تعداد پروتون های هسته تعیین می شود. در جرم اتمی کم، نسبت پایدار نوترون به پروتون تقریباً 1:1 است. از عدد جرمی اتمی 20 به بعد این نسبت شروع به افزایش می کند تا زمانی که برای عناصر بسیار سنگین حدود 1.5:1 می شود. این به دلیل این واقعیت است که وقتی تعداد پروتون ها افزایش می یابد به نوترون های بیشتری مورد نیاز است تا باعث خنثی شدن دافعه الکترواستاتیک پروتون ها شوند. جزئیات این موضوع مربوط به فیزیک انرژی بالا است و “قوانین” زیادی برای پیش بینی پایداری وجود دارد. در اینجا مفید است که بدانید 1:1 فقط در زیر Z=20 پایدار است و پس از آن هسته های پایدار غنی از نوترون می شوند.

این نسبت دقیق نیست، اما نشان‌دهنده یک «نوار پایداری» است که ایزوتوپ‌های ناپایدار در اطراف آن خوشه می‌شوند. تعداد زیادی ایزوتوپ ناپایدار هم در بالای نوار (تعداد نوترون خیلی زیاد) و هم در زیر نوار (تعداد پروتون خیلی زیاد) وجود دارد.

در برخی مواقع دیگر هیچ ایزوتوپ پایدار بدون توجه به نسبت نوترون به پروتون وجود ندارد. این را می توان در اعداد اتمی بسیار بالا مشاهده کرد. بالای جرم 208 هیچ ایزوتوپ پایداری وجود ندارد.

عناصر رادیواکتیو در جدول تناوبی:

نمودار زیر تعدادی ایزوتوپ را به همراه یک خط با نسبت 1:1 نشان می دهد. ایزوتوپ های پایدار به صورت نقاط سیاه ترسیم می شوند. ایزوتوپ های ناپایدار با کدگذاری رنگی بر اساس برجسته ترین مسیر فروپاشی آنها رسم می شوند. توجه داشته باشید که ایزوتوپ‌هایی که نزدیک‌ترین ایزوتوپ‌های پایدار در مرکز هستند، نسبت به ایزوتوپ‌هایی که با هم فاصله دارند، «پایدارتر» هستند. این “نوار” ایزوتروپ هایی که در مرکز طرح قرار می گیرند، “نوار پایداری” است.

دسته‌بندی هسته‌های رادیواکتیو
سه دسته کلی از هسته‌های رادیواکتیو با  فرآیندهای شکافت مختلف یا مجموعه‌ای از فرآیندها وجود دارند:
• هسته‌های غنی از نوترون- هسته‌های سمت چپ بالای نوار هسته‌های پایدار دارای نسبت نوترون به پروتون هستند که برای ایجاد یک هسته پایدار بسیار زیاد است. این هسته‌ها با فرایندی که یک نوترون را به پروتون تبدیل می‌کند، تجزیه می‌شوند و در نتیجه نسبت نوترون به پروتون را کاهش می‌دهد.
• هسته‌های کم نوترون- هسته‌های سمت راست پایین نوار هسته‌های پایدار دارای نسبت نوترون به پروتون هستند که برای ایجاد یک هسته پایدار بسیار کم است. واپاشی این هسته‌ها توسط فرآیندهایی که اثر ویژه تبدیل پروتون به نوترون را دارند و در نتیجه نسبت نوترون به پروتون را افزایش می‌دهند صورت‌می‌گیرد.
• هسته‌های سنگین  با استثنائات بسیار کمی بدون توجه به نسبت نوترون به پروتون، هسته‌های سنگین (هسته هایی که A ≥ 200 دارند) ذاتاً ناپایدار هستند و تمام هسته‌های با Z> 83 هسته‌های سنگین ناپایدار هستند.

این ویژگی احتمالاً به‌دلیل اثرات تجمعی دافعه الکترواستاتیکی بین تعداد زیادی از پروتون‌های دارای بار مثبت است که بدون در نظر گرفتن تعداد نوترون‌های موجود، نمی‌توان به‌طور کامل با نیروی هسته‌ای قوی غلبه کرد. چنین هسته‌هایی با تابش یک ذره α (هسته هلیوم ) که تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اصلی را 2 عدد کاهش می‌دهد، تمایل به شکافت دارند. ازآنجاکه نسبت نوترون به پروتون در یک‌ذره آلفا 1 است، نتیجه تابش آلفا، افزایش نسبت نوترون به پروتون است.

واکنش‌های شکافت هسته‌ای همیشه هسته‌های دختری تولید می‌کنند که نسبت نوترون به پروتون مطلوب‌تری دارند و از این رو پایدارتر از هسته مادر هستند.

واکنش‌های شکافت هسته‌ای
همانطور که از تعداد و نوع اتم‌های موجود برای تعادل یک معادله شیمیایی استفاده می‌کنیم، می‌توانیم از تعداد و نوع نوکلئون‌های موجود برای نوشتن یک معادله هسته‌ای متعادل برای یک واکنش شکافت هسته‌ای استفاده کنیم.

در شیمی و فیزیک، یک نوکلئون (Nucleon) می‌تواند یک پروتون، یا یک نوترون باشد، که در آن نقش به عنوان یک جزء هستهٔ اتم محسوب می‌شود.

این روش همچنین به ما اجازه می‌دهد تا در صورتی که هویت تنها یکی از آن‌ها مشخص باشد، هویت مادر یا هسته دختر را پیش‌بینی کنیم. صرف‌نظر از نحوه واپاشی، تعداد کل نوکلئون‌ها در تمام واکنش‌های هسته‌ای حفظ می‌شوند.
برای توصیف واکنش‌های شکافت هسته‌ای، شیمیدان‌ها برای نوکلیدها که شامل تابشات رادیواکتیو می‌شود، نشانه‌گذاری

را ارائه کردند که در آن X عنصر، A عدد جرمی شامل تعداد پروتون+تعداد نوترون و Z عدد اتمی که تعداد پروتون ها را نمایش می دهد.

.
جدول زیر نام و نماد هر نوع تشعشع ساطع شده را فهرست می‌کند. قابل توجه‌ترین افزایش، پوزیترون است، ذره‌ای که جرم آن برابر با الکترون است، اما دارای بار مثبت به‌جای بار منفی است.

برای یک پروتون یا یک نوترون، A = 1. از آنجا که الکترون و پوزیترون حاوی پروتون یا نوترون نیستند، عدد جرمی آن 0 است. اما اعداد را نباید به‌معنای واقعی کلمه در نظر گرفت، زیرا این ذرات جرم دارند. پرتاب یک ذره بتا (الکترون) به‌سادگی تأثیر ناچیزی بر جرم یک هسته دارد.
به‌طور مشابه، زیرنویس سمت چپ پایین پروتون یا بار ذره را نشان‌می‌دهد. از آنجایی که پروتون‌ها حامل بار مثبت هستند، برای پروتون Z = +1 است.
در مقابل، یک نوترون فاقد پروتون است و از نظر الکتریکی خنثی است، بنابراین Z = 0. در مورد الکترون، Z = -1، و برای پوزیترون، Z = +1. از آنجایی که پرتوهای γ فوتون‌های پرانرژی هستند، هر دو A و Z صفر هستند. در برخی موارد، از دو نماد مختلف برای ذرات یکسان استفاده می‌شود که به‌روش‌های مختلف تولید می‌شوند.
به‌عنوان مثال، نماد

که به‌شکل -e ساده شده‌است، نشان دهنده یک الکترون آزاد یا یک الکترون مرتبط با یک اتم است در حالی که نماد

، که اغلب به آن ساده می‌شودβ منفی می نویسند که نشان دهنده الکترون است و به همین ترتیب ذره آلفا

به هسته‌اتم هلیوم اشاره دارد و نشان دهنده ذره‌ای مشابه است که از یک هسته سنگین‌تر بیرون زده شده‌است. شش نوع واکنش واپاشی هسته‌ای اساساً متفاوت وجود دارد و هر کدام نوع متفاوتی از ذرات یا انرژی آزاد می‌کنند. ویژگی‌های اساسی هر واکنش در شکل زیر نشان داده‌شده‌است. رایج‌ترین آنها واپاشی آلفا و بتا و تابش گاما هستند، اما بقیه برای درک واکنش‌های شکافت هسته‌ای ضروری هستند.

واپاشی آلفا
بسیاری از هسته‌های با تعداد جرمی بیشتر از 200 دچار شکافت آلفا (α) می‌شوند که منجر به تابش یک هسته هلیوم 4 به‌عنوان ذره آلفا (α) می‌شود. واکنش کلی به شرح زیر است:

هسته دختر حاوی دو پروتون کمتر و دو نوترون کمتر از مادر است. بنابراین تابش ذره α یک هسته دختر با عدد جرمی A-4 و بار هسته‌ای Z-2 در مقایسه با هسته مادر تولید می‌کند. برای نمونه، رادیوم-226 تحت واپاشی آلفا قرار می‌گیرد و را دون-222 را تشکیل می‌دهد:

چون نوکلئون‌ها در این و همه واکنش‌های هسته‌ای دیگر حفظ می‌شوند، مجموع اعداد جرمی محصولات، 222 + 4 = 226، برابر است با عدد جرمی مادر. به همین ترتیب، مجموع اعداد اتمی محصولات، 86 + 2 = 88، برابر است با عدد اتمی مادر. بنابراین معادله هسته‌ای متعادل است.

همانطور که تعداد کل اتم‌ها در یک واکنش شیمیایی حفظ می‌شود، تعداد کل نوکلئون‌ها نیز در یک واکنش هسته‌ای حفظ می‌شود.

واپاشی بتا
هسته‌هایی که حاوی نوترون‌های بسیار زیادی هستند، اغلب تحت واپاشی بتا (β) قرار می‌گیرند، که در آن یک نوترون به یک پروتون و یک الکترون پرانرژی تبدیل می‌شود که به‌عنوان یک ذره β از هسته خارج می‌شود

بنابراین واکنش کلی برای شکافت بتا

اگرچه شکافت بتا عدد جرمی را تغییر نمی‌دهد، به‌دلیل اضافه شدن یک پروتون در هسته دختر، باعث افزایش 1+ در عدد اتمی می‌شود. بنابراین واپاشی بتا نسبت نوترون به پروتون را کاهش می‌دهد و هسته را به‌سمت نوار هسته‌های پایدار حرکت می‌دهد. به‌عنوان مثال، کربن-14 تحت واپاشی بتا قرار می‌گیرد تا نیتروژن-14 را تشکیل دهد:

یک‌بار دیگر، تعداد نوکلئون‌ها حفظ می‌شود و بارها متعادل می‌شوند. هسته‌های مادر و دختر دارای عدد جرمی یکسانی هستند، 14، و مجموع اعداد اتمی فرآورده‌ها 6 است، که همان عدد اتمی کربن-14 مادر است

تابش پوزیترون
از آنجایی که پوزیترون جرمی برابر با الکترون دارد اما بار مخالف دارد، تابش پوزیترون برعکس واپاشی بتا است.
بنابراین تابش پوزیترون مشخصه هسته‌های کم نوترون است که با تبدیل یک پروتون به نوترون و تابش یک پوزیترون پرانرژی تجزیه می‌شوند:

بنابراین واکنش کلی برای تابش پوزیترون به این شکل است

مانند واپاشی بتا، تابش پوزیترون، جرم هسته را تغییر نمی‌دهد.
اما در این راستا، عدد اتمی هسته دختر 1 کمتر از عدد اتمی است. بنابراین نسبت نوترون به پروتون افزایش یافته است و دوباره هسته را به نوار هسته‌های پایدار نزدیک می‌کند.
به‌عنوان مثال، کربن-11 تحت تابش پوزیترون قرار می‌گیرد و بور-11 را تشکیل می‌دهد:

نوکلئون‌ها حفظ می‌شوند و بارها به تعادل می‌رسند.
عدد جرمی 11 تغییر نمی‌کند و مجموع اعداد اتمی محصولات برابر با عدد اتمی هسته اصلی کربن 11 است.

جذب الکترون
یک هسته کم نوترون می‌تواند با تابش پوزیترون یا جذب الکترون (EC) یا (Beta capture or electron capture) تجزیه شود، که در آن یک الکترون در یک پوسته داخلی با یک پروتون برای تولید یک نوترون واکنش می‌دهد:

هنگامی که الکترون دوم از لایه بیرونی حرکت می‌کند تا جای الکترون کم انرژی را بگیرد که توسط هسته جذب شده‌است، پرتو ایکس تابش می‌شود. واکنش کلی برای جذب الکترون به این ترتیب است

جذب الکترون عدد جرمی هسته را تغییر نمی‌دهد زیرا هم پروتون که از دست می‌رود و هم نوترونی که تشکیل‌می‌شود دارای عدد جرمی 1 هستند. با این حال، مانند تابش پوزیترون، عدد اتمی هسته دختر یکی کمتر از عدد اتمی مادر است. یک‌بار دیگر، نسبت نوترون به پروتون افزایش یافته است و هسته را به‌سمت نوار هسته‌های پایدار حرکت می‌دهد. به‌عنوان مثال، آهن-55 با جذب الکترون تجزیه می‌شود و منگنز-55 را تشکیل می‌دهد که  به‌صورت زیر نوشته می‌شود:

اعداد اتمی هسته های مادر و دختر در معادله بالا تفاوت دارند، اگرچه اعداد جرمی یکسان هستند.. برای نوشتن یک معادله هسته‌ای موازنه برای این واکنش، باید الکترون گرفته شده را در معادله قرار دهیم:

هم تابش پوزیترون و هم جذب الکترون معمولاً برای هسته‌هایی با نسبت نوترون به پروتون پایین مشاهده می‌شود، اما نرخ واپاشی برای این دو فرآیند می‌تواند بسیار متفاوت باشد.

تابش گاما
بسیاری از واکنش‌های شکافت هسته‌ای، هسته‌های دختری را تولید می‌کنند که در حالت برانگیخته هستند. حالت برانگیخته، که شبیه به اتمی است که در آن یک الکترون به یک اوربیتال با انرژی بالاتر برانگیخته شده‌است تا حالت برانگیخته الکترونیکی بدهد. همانطور که یک الکترون در حالت برانگیخته الکترونیکی با بازگشت به‌حالت پایه، انرژی را به‌شکل فوتون تابش می‌کند، هسته در حالت برانگیخته نیز با بازگشت به‌حالت پایه، انرژی را به‌شکل فوتون آزاد می‌کند. این فوتون‌های پرانرژی پرتوهای گاما (γ) هستند

تابش می‌تواند تقریباً آنی رخ دهد، همانطور که در واپاشی آلفا اورانیوم-238 به توریم-234 رخ می‌دهد، جایی که نشان ستاره یک حالت برانگیخته را نشان‌می‌دهد:

اگر شکافت که هسته برانگیخته شده را حاصل کرده نادیده بگیریم، پس

یا به‌طور کلی‌تر:

تابش گاما نیز می‌تواند پس از یک تأخیر قابل توجه رخ دهد. به‌عنوان مثال، تکنسیوم-99 m نیمه عمری در حدود 6 ساعت قبل از ساطع کردن پرتو γ دارد تا تکنسیوم-99 را تشکیل دهد (m برای فراپایدار است). از آنجایی که پرتوهای γ انرژی هستند، تابش آنها بر روی عدد جرمی یا عدد اتمی هسته دختر تأثیری ندارد. بنابراین تابش پرتو گاما تنها نوع تشعشع است که لزوماً شامل تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر نیست، اگرچه تقریباً همیشه همراه با برخی واکنش‌های شکافت هسته‌ای دیگر مشاهده می‌شود.

شکافت خودبه‌خودی
فقط هسته‌های بسیار پرجرم با نسبت نوترون به پروتون بالا می‌توانند تحت شکافت خود به خودی قرار گیرند که در آن هسته به دو قسمت تقسیم می‌شود که عدد اتمی و جرم اتمی متفاوتی دارند. این فرآیند برای عناصر سنگین تر از اکتینید با Z ≥ 104 بسیار مهم است. شکافت خود به خودی همیشه با آزاد شدن مقادیر زیادی انرژی و معمولاً با تابش چندین نوترون همراه است. یک مثال شکافت خود به خودی  Cf  با عدد اتمی ۹۸ و عدد جرمی ۲۵۴ است که توزیعی از محصولات شکافت را ارائه می‌دهد. که در معادله زیر نشان داده‌شده‌است:

یک‌بار دیگر، تعداد نوکلئون‌ها حفظ می‌شود.
بنابراین مجموع اعداد جرمی محصولات (118 + 132 + 4 = 254) برابر است با عدد جرمی واکنش‌دهنده. به‌طور مشابه، مجموع اعداد اتمی محصولات [46 + 52 + (4 × 0) = 98] با عدد اتمی هسته اصلی یکسان است.

سری واپاشی پرتوزا
هسته همه عناصر با اعداد اتمی بیشتر از 83 ناپایدار هستند. بنابراین همه ایزوتوپ‌های همه عناصر بعد از بیسموت در جدول تناوبی رادیواکتیو هستند. از آنجا که واپاشی آلفا Z را تنها 2 واحد کاهش می‌دهد و تابش پوزیترون یا جذب الکترون Z را تنها 1 واحد کاهش می‌دهد، برای هر هسته‌ای با Z> 85 غیرممکن است که در یک مرحله به یک هسته دختر پایدار تجزیه شود، مگر از طریق شکافت هسته‌ای. در نتیجه، ایزوتوپ‌های رادیواکتیو با Z> 85 معمولاً به یک هسته دختر که رادیواکتیو است تجزیه می‌شوند، که به نوبه خود به هسته دوم دختر رادیواکتیو تجزیه می‌شود و به همین ترتیب تا زمانی که در نهایت یک هسته پایدار ایجاد شود.
این سری از واکنش‌های متوالی واپاشی آلفا و بتا، زنجیره واپاشی رادیواکتیو نامیده می‌شود. متداول‌ترین آنها زنجیره واپاشی اورانیوم-238 است که سرب-206 را در یک زنجیره از 14 واکنش متوالی آلفا و واپاشی بتا تولید می‌کند. اگرچه یک زنجیره واپاشی رادیواکتیو را می‌توان تقریباً برای هر ایزوتوپ با Z> 85 نوشت، تنها دو ایزوتوپ دیگر به‌طور طبیعی رخ می‌دهد: تجزیه اورانیوم-235 به سرب-207 (در 11 مرحله) و توریم-232 به سرب-208 (در 10 مرحله). زنجیره چهارم، تجزیه نپتونیوم-237 به بیسموت-209 در 11 مرحله، شناخته شده‌است که در زمین اولیه رخ داده است. با نیمه عمر “فقط” 2.14 میلیون سال، تمام نپتونیوم-237 موجود در زمان تشکیل زمین مدت‌ها پیش پوسیده شد و امروزه تمام نپتونیوم روی زمین مصنوعی است.

شکل بالا سری واپاشی رادیواکتیو. سه زنجیره واپاشی رادیواکتیو طبیعی در حال حاضر وجود دارند: زنجیره واپاشی اورانیوم-238، تجزیه اورانیوم-235 به سرب-207 و شکافت توریم-232 به سرب-208..

به‌دلیل این سری‌های واپاشی رادیواکتیو، مقادیر کمی ایزوتوپ‌های بسیار ناپایدار در سنگ معدن‌های حاوی اورانیوم یا توریم یافت می‌شود. این ایزوتوپ‌های نادر و ناپایدار باید مدت‌ها پیش به هسته‌های پایدار با عدد اتمی پایین‌تر تجزیه می‌شدند و دیگر روی زمین یافت نمی‌شدند. از آنجا که آنها به‌طور مداوم توسط تجزیه اورانیوم یا توریم تولید می‌شوند، اما مقدار آنها به یک حالت ثابت رسیده است که در آن سرعت تشکیل آنها برابر با سرعت تجزیه آنها است. در برخی موارد، از فراوانی ایزوتوپ‌های دختر می‌توان برای تاریخ‌گذاری ماده یا شناسایی منشأ آن استفاده‌کرد.

واکنش‌های هسته‌ای القایی
کشف رادیواکتیویته در اواخر قرن نوزدهم نشان داد که برخی از هسته‌ها به‌طور خودبه‌خود به هسته‌هایی با تعداد پروتون‌های متفاوت تبدیل می‌شوند و در نتیجه عنصر متفاوتی تولید می‌شود. وقتی دانشمندان متوجه شدند که این ایزوتوپ‌های رادیواکتیو طبیعی با تابش ذرات زیر اتمی تجزیه می‌شوند، متوجه شدند که – در اصل – می‌توان واکنش معکوس را انجام داد و با بمباران آن با ذرات زیر اتمی، یک هسته پایدار را به هسته‌ای پرجرم‌تر تبدیل کرد. واکنش تغییر شکل هسته‌ای اولین واکنش موفقیت‌آمیز تبدیل هسته‌ای در سال 1919 توسط ارنست رادرفورد انجام شد که نشان داد ذرات α ساطع شده از رادیوم می‌توانند با هسته‌های نیتروژن واکنش داده و هسته‌های اکسیژن را تشکیل دهند. همانطور که در معادله زیر نشان داده‌شده‌است، یک پروتون در این فرآیند تابش می‌شود:

آزمایش‌های تبدیل هسته‌ای رادرفورد منجر به کشف نوترون شد. او دریافت که بمباران هسته ای یک عنصر هدف سبک با یک ذره α معمولاً هسته ی هدف را به محصولی تبدیل می‌کند که عدد اتمی آن 1 واحد بیشتر و عدد جرمی آن 3 واحد بیشتر از هسته ی هدف است. چنین رفتاری با تابش یک پروتون پس از واکنش با ذره α سازگار است. اهداف بسیار سبک مانند Li، Be و B واکنش متفاوتی نشان دادند، با این حال، به‌جای پروتون، نوع جدیدی از تشعشعات بسیار نافذ را منتشر کردند. از آنجایی که نه یک میدان مغناطیسی و نه میدان الکتریکی نمی‌تواند این ذرات پر انرژی را منحرف کند، رادرفورد نتیجه گرفت که آنها از نظر الکتریکی خنثی هستند.
مشاهدات دیگر نشان‌می‌دهد که جرم ذره خنثی مشابه جرم پروتون است. در سال 1932، جیمز چادویک (جایزه نوبل فیزیک، 1935)، که در آن زمان شاگرد رادرفورد بود، این ذرات خنثی را نوترون نامید و پیشنهاد کرد که آن‌ها بلوک‌های اساسی سازنده اتم هستند. واکنشی که چادویک در ابتدا برای توضیح تولید نوترون استفاده‌کرد به شرح زیر بود:

از آنجایی که ذرات α و هسته اتمی هر دو دارای بار مثبت هستند، نیروهای الکترواستاتیک باعث دفع یکدیگر می‌شوند. فقط ذرات α با انرژی جنبشی بسیار بالا می‌توانند بر این دافعه غلبه کرده و با یک هسته برخورد کنند. با این حال، نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند، بنابراین توسط هسته دفع نمی‌شوند. از این رو بمباران با نوترون‌ها راه بسیار آسان تری برای تهیه ایزوتوپ‌های جدید عناصر سبک‌تر است.
در واقع، کربن-14 به‌طور طبیعی در جو با بمباران نیتروژن-14 با نوترون‌های تولید شده توسط پرتوهای کیهانی تشکیل‌می‌شود:

یک واکنش همجوشی هسته‌ای. بمباران یک هدف از یک عنصر با هسته‌های پر انرژی یا ذرات زیر اتمی می‌تواند عناصر جدیدی ایجاد کند.  دافعه‌های الکترواستاتیکی معمولاً از برخورد ذره با بار مثبت و واکنش با یک هسته با بار مثبت جلوگیری می‌کنند. با این حال، اگر ذره با بار مثبت با سرعت بسیار بالایی حرکت کند، انرژی جنبشی آن ممکن است به‌اندازه کافی بزرگ باشد تا بر دافعه‌های الکترواستاتیکی غلبه کند و ممکن است با هسته هدف برخورد کند. چنین برخوردهایی می‌تواند منجر به یک واکنش همجوشی هسته‌ای شود.

ما قبلاً در این بخش اشاره کردیم که هسته‌های بسیار سنگین، مربوط به Z ≥ 104، تمایل دارند با شکافت خودبه‌خود تجزیه شوند. هسته‌های با مقادیر کمی کمتر از Z، مانند ایزوتوپ‌های اورانیوم (Z = 92) و پلوتونیوم (Z = 94)، به‌هیچ‌وجه تحت شکافت خود به خودی قرار نمی‌گیرند. برخی ایزوتوپ‌های این عناصر، با این حال، مانند 235 U و  239  Pu همانطور که در معادله زیر برای اورانیوم-235 و در شکل زیر نشان  داده‌شده‌است، هنگامی که با نوترون‌های نسبتاً کم انرژی بمباران می‌شوند، تحت شکافت هسته‌ای القایی قرار می‌گیرند.

شکافت هسته‌ای ناشی از نوترون، برخورد یک نوترون نسبتاً آهسته با یک هسته شکافت پذیر می‌تواند آن را به دو هسته کوچک‌تر با جرم‌های یکسان یا متفاوت تقسیم کند. نوترون‌ها نیز در این فرآیند به‌همراه مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شوند. هر ایزوتوپی که بتواند در هنگام بمباران با نوترون‌ها تحت یک واکنش شکافت هسته‌ای قرار گیرد، ایزوتوپ شکافت‌پذیر نامیده می‌شود. همانطور که در شکل بالا نشان داده‌شده‌است، در طول شکافت هسته‌ای، هسته معمولاً به‌جای اینکه به دو قسمت مساوی تقسیم شود، به‌طور نامتقارن تقسیم می‌شود. علاوه بر این، هر رویداد شکافت هسته‌ای معین، محصولات یکسانی را به‌دست نمی‌دهد. برای مثال، بیش از 50 حالت شکافت مختلف برای اورانیوم 235 شناسایی شده‌است.در نتیجه، شکافت هسته‌ای یک هسته شکافت پذیر هرگز با یک معادله قابل توصیف نیست.

در عوض، همانطور که در شکل بالا نشان داده‌شده‌است توزیعی از جفت‌های زیادی از محصولات شکافت با بازده‌های مختلف به‌دست می‌آید، اما نسبت جرم هر جفت از محصولات شکافت تولید شده توسط یک رویداد شکافت منفرد همیشه تقریباً 3:2 است. توزیع انبوه محصولات شکافت هسته‌ای 235 U. شکافت هسته‌ای معمولاً طیف وسیعی از محصولات را با جرم و بازده متفاوت تولید می‌کند، اگرچه نسبت جرمی هر جفت محصول شکافت از یک رویداد شکافت تقریباً 3:2 است. همانطور که در این نمودار نشان داده‌شده‌است، بیش از 50 محصول مختلف شکافت برای 235 U شناخته شده‌است. منبع داده: TR England و BF Rider، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، LA-UR-94-3106، ENDF-349 (1993)

سنتز عناصر با عدد اتمی بالاتر از  اورانیوم
اورانیوم (Z = 92) سنگین‌ترین عنصر طبیعی است. در نتیجه، تمام عناصر با Z> 92، عناصر ترانس اورانیوم، مصنوعی هستند و با بمباران هسته‌های هدف مناسب با ذرات کوچک‌تر تهیه شده‌اند. اولین عنصر فرااورانیومی که آماده شد نپتونیم بود (Z = 93) که در سال 1940 با بمباران یک هدف 238 U با نوترون سنتز شد. همانطور که در معادله های زیر نشان داده‌شده‌است، این واکنش در دو مرحله رخ می‌دهد. در ابتدا، یک نوترون با یک هسته 238 U ترکیب می‌شود و 239 U را تشکیل می‌دهد که ناپایدار است و برای تولید 239 Np تحت واپاشی بتا قرار می‌گیرد:

تجزیه بتای بعدی 239 Np، دومین عنصر فرااورانیوم، پلوتونیوم (Z = 94) را تولید می‌کند:

بمباران هدف با هسته‌های پرجرم‌تر، عناصری را ایجاد می‌کند که دارای اعداد اتمی به‌طور قابل توجهی بیشتر از هسته هدف هستند (جدول زیر).

چنین تکنیک‌هایی منجر به ایجاد عناصر فوق سنگین 114 و 116 شده‌است که هر دو در “جزیره ثبات” یا نزدیک آن قرار دارند.

برخی از واکنش‌های مورد استفاده برای سنتز عناصر سنگین تر از اورانیوم

دستگاهی به نام شتاب دهنده ذرات برای شتاب دادن با بار مثبت استفاده می‌شود. ذرات به‌سرعت مورد نیاز برای غلبه بر دافعه‌های الکترواستاتیکی بین آنها و هسته‌های هدف با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی. از نظر عملیاتی، ساده‌ترین شتاب دهنده ذرات، شتاب دهنده خطی است (شکل زیر) که در آن پرتوی از ذرات در یک انتهای یک لوله طولانی تخلیه شده تزریق می‌شود. تناوب زنجیرهع قطبیت الکترودها در طول لوله باعث می‌شود که ذرات به‌طور متناوب به‌سمت ناحیه‌ای با بار مخالف شتاب گرفته و توسط ناحیه‌ای با همان بار دفع شوند و در نتیجه با حرکت ذره در لوله، شتاب فوق العاده ای ایجاد می‌شود. یک شتاب دهنده خطی مدرن مانند شتاب دهنده خطی استانفورد (SLAC) در دانشگاه استنفورد حدود 2 مایل (3.2 کیلومتر) طول دارد.

الف) یک شتاب دهنده ذرات خطی (a) نمای هوایی از SLAC، طولانی‌ترین شتاب دهنده ذرات خطی در جهان. طول کلی تونل 2 مایل است. (b) معکوس کردن زنجیرهع قطبیت الکترودها در لوله باعث می‌شود که ذرات باردار به‌طور متناوب هنگام ورود به یک بخش از لوله جذب شده و با خروج از آن قسمت دفع شوند. در نتیجه، ذرات به‌طور مداوم در طول لوله شتاب می‌گیرند. برای دستیابی به نتیجه مشابه در فضای کمتر، یک شتاب دهنده ذره به نام سیکلوترون، ذرات باردار را مجبور می‌کند تا در یک مسیر دایره‌ای به‌جای مسیر خطی حرکت کنند. ذرات به مرکز یک حلقه تزریق می‌شوند و با تغییر زنجیرهع قطبیت دو الکترود بزرگ D شکل در بالا و پایین حلقه شتاب می‌گیرند، که ذرات را در طول مسیر مارپیچی به‌سمت هدف شتاب می‌دهد. طول یک شتاب دهنده خطی و اندازه الکترودهای D شکل در یک سیکلوترون به‌شدت انرژی جنبشی ذرات را در این دستگاه‌ها محدود می‌کند. این محدودیت‌ها را می‌توان با استفاده از یک سنکروترون، ترکیبی از دو طرح، برطرف کرد. یک سنکروترون حاوی یک لوله تخلیه شده شبیه به یک شتاب دهنده خطی است، اما لوله دایره‌ای است و می‌تواند بیش از یک مایل قطر داشته‌باشد. ذرات باردار در اطراف دایره توسط یک زنجیره آهن‌ربا شتاب می‌گیرند که قطبیت آنها به‌سرعت متناوب می‌شود.

خلاصه
• در واکنش‌های شکافت هسته‌ای (یا شکافت رادیواکتیو)، هسته مادر به یک هسته دختر پایدارتر تبدیل می‌شود.
• هسته‌هایی با نوترون‌های زیاد با تبدیل یک نوترون به پروتون تجزیه می‌شوند، در حالی که هسته‌هایی با نوترون‌های بسیار کم با تبدیل یک پروتون به نوترون تجزیه می‌شوند.
• هسته‌های بسیار سنگین با A ≥ 200 و Z > 83 ناپایدار هستند و با تابش یک ذره α تمایل به شکافت دارند.
• هنگامی که یک هسته ناپایدار تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می‌گیرد، تعداد کل نوکلئون‌ها و بار مثبت کل حفظ می‌شود.
• شش نوع مختلف از واکنش‌های شکافت هسته‌ای شناخته شده‌است.
• واپاشی آلفا منجر به تابش یک ذره  α با عدد اتمی دو و عدد جرمی چهار می‌شود و یک هسته دختر با عدد جرمی 4 کمتر و عدد اتمی آن 2 کمتر از هسته مادر تولید می‌کند.
• واپاشی بتا یک نوترون را به پروتون تبدیل می‌کند و یک الکترون پرانرژی گسیل می‌کند و یک هسته دختر با همان عدد جرمی مادر و یک عدد اتمی که 1 بیشتر است تولید می‌کند.
• تابش پوزیترون برعکس واپاشی بتا است و یک پروتون را به یک نوترون به اضافه یک پوزیترون تبدیل می‌کند.
• تابش پوزیترون تعداد جرمی هسته را تغییر نمی‌دهد، اما عدد اتمی هسته دختر 1 کمتر از مادر است.
• در جذب الکترون (EC)، یک الکترون در یک پوسته داخلی با یک پروتون واکنش می‌دهد و یک نوترون تولید می‌کند و یک پرتو ایکس تابش می‌کند. عدد جرمی تغییر نمی‌کند، اما عدد اتمی دختر 1 کمتر از مادر است.
• در تابش گاما، یک هسته دختر در حالت برانگیخته هسته‌ای با تابش پرتو γ به‌حالت کم انرژی تبدیل می‌شود.
• هسته‌های بسیار سنگین با نسبت نوترون به پروتون بالا می‌توانند تحت شکافت خود به خودی قرار گیرند که در آن هسته به دو تکه تقسیم می‌شود که با آزاد شدن نوترون‌ها می‌توانند تعداد اتمی و جرم اتمی متفاوتی داشته‌باشند.
• بسیاری از هسته‌های بسیار سنگین از طریق یک زنجیره واپاشی رادیواکتیو – مجموعه‌ای از ترکیبی از واکنش‌های واپاشی آلفا و بتا – تجزیه می‌شوند.
• در واکنش‌های تبدیل هسته‌ای، یک هسته هدف با ذرات زیر اتمی پرانرژی بمباران می‌شود تا هسته‌ای تولید شود که جرم‌بشتر از هسته اصلی است.
• همه عناصر ترانس اورانیوم – عناصر با Z> 92 – مصنوعی هستند و باید توسط واکنش‌های تبدیل هسته‌ای تهیه شوند.
• این واکنش‌ها در شتاب دهنده‌های ذرات مانند شتاب دهنده‌های خطی، سیکلوترون ها و سنکروترون ها انجام‌می‌شود.

موارد کلیدی
واکنش‌های شکافت هسته‌ای به‌طور خودبه‌خود در هر شرایطی رخ می‌دهند و هسته‌های دختر پایدارتری تولید می‌کنند، در حالی که واکنش‌های دگرگونی هسته‌ای القایی هستند و هسته ی محصولی را تشکیل می‌دهند که سنگین تر از ماده اولیه است.

معادلات کلیدی
• واپاشی آلفا

• واپاشی بتا

• تابش پوزیترون

• جذب الکترون

• تابش گاما

برگردان به پارسی: سمیرا داتلی بیگی

.
سرچشمه:

https://chem.libretexts.org
https://www.livescience.com/61082-nuclear-chain-reaction-anniversary.html

https://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

wikimedia.org