Tuumareaktsioon

Tuumareaktsioon on kahe aatomituuma või elementaarosakese ja aatomituuma kokkupõrge, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad ja/või elementaarosakesed. Teoreetiliselt võib tuumareaktsiooni põhjustada ka kolme osakese kokkupõrge, kuid sellise sündmuse toimumine on ülimalt ebatõenäoline.

Kui pärast kokkupõrget kokkupõrganud osakesed ei muutu, ega anna teineteisele üle olulisel määral energiat (muudavad ainult oma liikumise suunda), siis on tegemist elastse hajumisega, mitte tuumareaktsiooniga. Aatomituuma spontaansel lagunemisel on tegemist tuumareaktsiooniga ainult sel juhul, kui lagunemine on põhjustatud kokkupõrkest mõne elementaarosakesega (näiteks neutroniga).

Tuumareaktsiooni võrrandid

Tuumareaktsioonide võrrandeid võib kirjutada täpselt nagu keemiliste reaktsioonide võrrandeid. Iga reaktsioonis osalev aatomituum kirjeldatakse tema keemilise elemendi tähisega, mille ette kirjutatakse (üles) tuuma nukleonide koguarv ning (alla) tuuma prootonite arv. Näiteks alfaosake on 42He. Kui reaktsioonis osaleb elementaarosakesi, siis neid märgitakse osakese sümboliga. Näiteks footon on γがんま ja elektron e^–.

Liitiumi 63Li ja deuteeriumi 21H ühinemisreaktsioon näeb välja selline:

63Li + 21H → 42He + 42He (või)

63Li + 21H → 2 42He

Ülaltoodud reaktsioonivõrrandisse on kindlasti tarvis märkida kaks alfaosakest, kuna vastasel juhul ei oleks võrrandi parema ja vasaku poole massid tasakaalus.

Energia jäävus

Tuumareaktsioon võib olla eksotermiline reaktsioon või endotermiline reaktsioon. Eksotermilise reaktsiooni puhul vabaneb energia reaktsiooni tulemusena tekkinud tuumade ja osakeste kineetilise energiana (soojusena). Endotermilise reaktsiooni puhul tuleb reaktsiooni toimumiseks anda selles osalevatele tuumadele ja osakestele piisav kineetiline energia, mis reaktsiooni käigus neeldub.

Kuna ka tuumareaktsioonide puhul kehtib energia jäävuse seadus, siis näitena toodud reaktsiooni käigus vabanevat energiat saab arvutada järgmiselt:

63Li seisumass on 6,015 u

21H seisumass on 2,014 u

42He seisumass on 4,0026 u

Järelikult on võrrandi vasaku poole kogumass 8,029 u ja parema poole kogumass 8,0052 u. Reaktsiooni tulemusena on "haihtunud" mass 0,0238 u, mis vastavalt massi-energia seosele on muutunud energiaks. (Energiaks muutuvat massi nimetatakse ka tuumareaktsiooni massidefektiks.) Tuumareaktsioonil vabanenud energiat saab arvutada järgmiselt:

1 u c2 = (1,66054 × 10^-27 kg) × (2,99792 × 108 m/s)²

= 1,49242 × 10^-10 kg (m/s)² = 1,49242 × 10^-10 J (džauli)

× (1 MeV / 1,60218 × 10^-13 J)

= 931.49 MeV,

seega 1 u c² = 931.49 MeV

Seega kogu reaktsiooni energiajääk on 0,0238 × 931 MeV = 22.4 MeV, mida võib kirjutada ka järgmiselt:

63Li + 21H → 2 42He + 22.4 MeV

Energia võib tuumareaktsiooni puhul vabaneda erineval moel:

Reaktsiooni tulemusena tekkinud tuumade ja osakeste kineetilise energiana
Gammakiirgusena
Ergastatud olekuna

Viimane võimalus tähendab seda, et reaktsiooni tulemusena tekkinud tuum on ergastatud olekus (omab energiat). Sellist tuuma märgitakse reaktsioonivõrrandis tärniga "*". Ergastatud olekusse jäänud tuum võib igal ajahetkel naasta põhiolekusse kiirates üleliigse energia ära gammakvandina.

Tuumareaktsioonide tüübid

Põhilised tuumareaktsioonide tüübid on järgmised:

Nukleosüntees on tuumade loomine varemeksisteerinud nukleonidest. Nukleosüntees võib toimuda kas tuumafusiooni (tuumasünteesi) või tuumafissiooni (tuumalõhustumise) teel.
Tuumafusioon (ehk tuumasüntees) on reaktsioon, milles kaks kergemat tuuma ühinevad raskemaks. Näiteks toodud reaktsioon ongi tuumafusioon. Tuumafusiooni iseeneslikku tekkimist takistab Coulombi barjäär.
Tuumafissioon (ehk tuumalõhustumine) on reaktsioon, milles raske tuum laguneb kergemateks tuumadeks. Kui see toimub ilma välise mõjutuseta, siis nimetatakse seda spontaanseks lõhustumiseks ja tegemist ei ole tuumareaktsiooniga. Tänapäeval kasutatav tuumaenergia põhineb just tuumalõhustumise protsessil.
Tuumapurunemine on reaktsioon, milles suure energiaga osake lööb raskest tuumast välja nukleone või kergemaid aatomituumi ise tuumas neeldumata.
Indutseeritud gammakiirgus on tuumareaktsioon, milles peale aatomituuma osalevad ainult footonid (γがんま). Gammakiirguse neeldumisel tuumas läheb tuum ergastatud seisundisse. Ergastatud seisundist saab tuum väljuda kiirates gammakiirgust.

Vaata ka