Jądra atomowe mogą się rozpadać samorzutnie albo uczestniczyć w reakcjach z innymi cząstkami. W obu przypadkach kluczowe jest jedno: zmiana energii wiązania jądra.
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Rozpad to proces losowy, ale w dużej próbce podlega prostemu prawu:
N(t)=N0e−λt
gdzie:
- N(t) – liczba jąder po czasie t,
- N0 – liczba początkowa,
- λ – stała rozpadu.
Z tego wynika czas połowicznego rozpadu:
T1/2=ln2 / λ
To parametr charakterystyczny dla danego izotopu.
Skąd bierze się energia?
Podstawą jest słynne równanie Einsteina:
E=mc2
Jeśli masa produktów reakcji jest mniejsza niż masa substratów, różnica masy (tzw. defekt masy) zamienia się w energię.
W reakcjach jądrowych ta różnica bywa niewielka, ale ponieważ c2 jest ogromne, nawet mały ubytek masy daje dużą energię.
Dwa główne typy reakcji
1. Rozszczepienie
Ciężkie jądro (np. U-235) po pochłonięciu neutronu rozpada się na dwa lżejsze jądra i kilka neutronów. To podstawa działania reaktorów jądrowych.
2. Synteza (fuzja)
Lekkie jądra łączą się w cięższe (np. izotopy wodoru w hel). Tak powstaje energia w gwiazdach.
W obu przypadkach energia pochodzi z różnicy energii wiązania na nukleon.
Podsumowanie
Rozpad i reakcje jądrowe to procesy, w których zmienia się struktura jądra, a część jego masy zamienia się w energię. Opisuje to proste prawo wykładnicze oraz zależność E=mc2. To fundament fizyki jądrowej i energetyki jądrowej.
