ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear reaction) ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์และเคมีนิวเคลียร์ หมายถึงกระบวนการที่นิวเคลียส 2 ตัวของอะตอมเดียวกัน หรือนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งและอนุภาคย่อย ของอีกอะตอมหนึ่งจากภายนอกอะตอมนั้น ชนกัน ทำให้เกิดนิวเคลียสใหม่หนึ่งตัวหรือมากกว่าหนึ่งตัวที่มีจำนวนอนุภาคย่อยแตกต่างจากนิวเคลียสที่เริ่มต้นกระบวนการ ดังนั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์จะต้องทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอย่างน้อยหนึ่งนิวไคลด์ ไปเป็นอย่างอื่น หากนิวเคลียสหนึ่งมีปฏิกิริยากับอีกนิวเคลียสหนึ่งหรืออนุภาคอื่นและพวกมันก็แยกออกจากกันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงลักษณะของนิวไคลด์ใด ๆ กระบวนการนี้เป็นแต่เพียงประเภทหนึ่งของการกระเจิงของนิวเคลียสเท่านั้น ไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ตามแบบจำลองแสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ lithium-6 (⁶
₃Li) และ ดิวเทอเรียม (²
₁H) ทำปฏิกิริยากันทำให้เกิดนิวเคลียส ⁸
₄Be ที่มีแรงกระตุ้นขนาดกลางอย่างสูง จากนั้นมันจะสลายทันทีกลายเป็นอนุภาคแอลฟาของ helium-4 (⁴
₂He) 2 ตัว โปรตอนถูกแสดงด้วยลูกกลมสีแดง และนิวตรอนถูกแสดงด้วยลูกกลมสีน้ำเงิน

ในหลักการ ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นจากการชนกันของอนุภาคมากกว่าสองอนุภาค แต่เป็นไปได้น้อยมากที่นิวเคลียสมากกว่าสองตัวจะมาชนกันในเวลาเดียวกันและสถานที่เดียวกัน เหตุการณ์ดังกล่าวจึงเป็นของหายากเป็นพิเศษ (ดูกระบวนการสามอัลฟา ซึ่งเป็นตัวอย่างหนึ่งที่ใกล้เคียงกับการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์สามเส้า) "ปฏิกิริยานิวเคลียร์" เป็นคำที่หมายความถึงการเปลี่ยนแปลงที่"ถูกเหนี่ยวนำให้เกิด"ในนิวไคลด์ ดังนั้นมันจึงไม่สามารถนำไปใช้กับการสลายกัมมันตรังสีชนิดใด ๆ ได้ (เพราะโดยคำจำกัดความแล้ว การสลายกัมมันตรังสีเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธรรมชาติจะเกิดขึ้นจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีคอสมิกและสสาร และปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อให้ได้พลังงานนิวเคลียร์ในอัตราที่ปรับได้ตามความต้องการ บางทีปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่โดดเด่นมากที่สุดจะเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในวัสดุที่แตกตัวได้ (อังกฤษ: fissionable material) เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นและปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันต่างๆขององค์ประกอบเบาที่ผลิตพลังงานให้กับดวงอาทิตย์และดวงดาวทั้งหลาย ทั้งสองประเภทในการเกิดปฏิกิริยานี้ถูกใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์

สัญลักษณ์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจจะแสดงในรูปแบบที่คล้ายกับสมการเคมี ซึ่งมวลนิ่งจะต้องสมดุลกันสำหรับแต่ละด้านของสมการ และการแปลงของอนุภาคจะต้องเป็นไปตามกฎของการอนุรักษ์ที่แน่นอน เช่นการอนุรักษ์ของประจุและจำนวนแบริออน (จำนวนมวลอะตอมรวม) ตัวอย่างของสัญญลักษณ์หนึ่งจะเป็นดังต่อไปนี้:

^6 3Li

+

^2 1H

→

^4 2He

+

?

เพื่อความสมดุลของสมการข้างต้นสำหรับมวล ประจุและเลขมวล นิวเคลียสตัวที่สองด้านขวาจะต้องมีเลขอะตอมเป็น 2 และเลขมวลเป็น 4; ดังนั้น มันจึงยังคงเป็นฮีเลียม-4 ดังนั้นสมการที่สมบูรณ์จึงเป็น:

^6 3Li

+

^2 1H

→

^4 2He

+

^4 2He

หรือเพียงแค่:

^6 3Li

+

^2 1H

→

2 ^4 2He

แทนที่จะใช้สมการเต็มรูปแบบดังกล่าวข้างต้น ในหลาย ๆ สถานการณ์ สัญญลักษณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดจะถูกใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ รูปแบบของแบบฟอร์มนี้คือ A(b,c)D เทียบเท่ากับ A + b ได้ c + D. อนุภาคเบาทั่วไปมักจะถูกย่อให้สั้นแบบนี้ โดย p สำหรับโปรตอน n สำหรับนิวตรอน d สำหรับ ดิวเทอเรียม, α แทนอนุภาคแอลฟา หรือฮีเลียม-4, β สำหรับอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอน, γ สำหรับรังสีแกมมา ฯลฯ ปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้นจะถูกเขียนเป็น Li-6(d,α)α

ประวัติ

ในปี 1917, เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดก็สามารถประสบความสำเร็จในการแปลงร่างของไนโตรเจนให้เป็นก๊าซออกซิเจนที่มหาวิทยาลัยแห่งแมนเชสเตอร์ โดยการใช้อนุภาคแอลฟายิงไปที่ไนโตรเจน ¹⁴N + α → ¹⁷O + p นี่เป็นการสังเกตครั้งแรกของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น, นั่นคือ, ปฏิกิริยาที่อนุภาคจากการสลายตัวหนึ่งถูกใช้ในการแปลงให้เป็นอีกนิวเคลียสหนึ่ง ในที่สุดในปี 1932 ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, ปฏิกิริยานิวเคลียร์และการแปลงพันธ์ทางนิวเคลียร์ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างสมบูรณ์ถูกทำได้สำเร็จโดยเพื่อนร่วมงานของรัทเธอร์ฟอร์ด นายจอห์น Cockcroft และนายเออร์เนส วอลตัน พวกเขาใช้โปรตอนที่ถูกเร่งความเร็วแบบประดิษฐ์ยิงเข้าใส่ลิเธียม-7 เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นสองอนุภาคแอลฟา การทดลองนี้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายว่าเป็น "การแยกอะตอม" แม้ว่ามันจะไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นแบบทันสมัยที่มีการค้นพบภายหลังในปี 1938 ในองค์ประกอบหนักโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน นายอ็อตโต ฮาห์นและนายฟริตซ์ Straßmann

การอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานจลน์อาจถูกปล่อยออกมาในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาคายความร้อน (อังกฤษ: exothermic reaction)) หรือพลังงานจลน์อาจจะต้องมีการใส่เข้าไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาดูดความร้อน (อังกฤษ: endothermic reaction)) ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยการอ้างอิงไปยังตารางของ'มวลนิ่งของอนุภาค' (อังกฤษ: particle rest mass) ที่แม่นยำมากต่อไปนี้ ตามตารางที่อ้างอิงถึง นิวเคลียสของ ⁶
₃Li มีมวลอะตอมสัมพันธ์ที่ 6.015 หน่วยมวลอะตอม (ตัวย่อ u), ดิวเทอเรียมมี 2.014 u และนิวเคลียสของฮีเลียม-4 มี 4.0026 u ดังนั้น:

• มวลนิ่งรวมด้านซ้าย = 6.015 + 2.014 = 8.029 u
• มวลนิ่งรวมด้านขวา = 2 × 4.0026 = 8.0052 u
• มวลนิ่งขาดหายไป = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 u

ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง พลังงานสัมพันธ์ (อังกฤษ: relativistic energy) รวมจะถูกอนุรักษ์ เพราะฉะนั้น มวลนิ่ง "ที่ขาดหายไป" จึงต้องเกิดขึ้นอีกครั้งในรูปของพลังงานจลน์ที่ถูกปล่อยออกไปในระหว่างปฏิกิริยา; แหล่งที่มาของมันคือพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียส (อังกฤษ: nuclear binding energy) (พลังงานยึดเหนี่ยว, พลังงานยึดเหนี่ยวของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส มีค่าเท่ากับพลังงานที่น้อยที่สุดสำหรับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังหมายถึง พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนด้วย ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานที่ต้องใช้เพื่อแยกอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอมหรือโมเลกุล [นิวเคลียร์]) เมื่อใช้สูตรสมดุลมวล-พลังงาน E = mc² ของ Einstein ปริมาณของพลังงานที่ปล่อยออกมาก็จะสามารถกำหนดได้ ก่อนอื่นเราต้องรู้พลังงานเทียบเท่าของหนึ่งหน่วยมวลอะตอม:

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 (Joule)

× (1 MeV / 1.60218 × 10⁻¹³ J)

= 931.49 MeV,

ดังนั้น 1 u c² = 931.49 MeV.

ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับ 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV

พูดอีกอย่างคือ: มวลจะลดลง 0.3% ซึ่งสอดคล้องกับ 0.3% ของ 90 PJ/กก. เท่ากับ 270 TJ/kg

นี้เป็นจำนวนที่มากของพลังงานสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง จำนวนที่สูงมากนี้เป็นเพราะพลังงานยึดเหนี่ยวต่อ'นิวคลีออน'ของนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ที่สูงผิดปกติ เพราะนิวเคลียสของ He-4 เป็น "วิเศษสองเท่า" (นิวเคลียสของ He-4 จะเสถียรแบบที่ไม่ปกติและถูกผูกมัดกันไว้อย่างแน่นหนาด้วยเหตุผลเดียวกันกับที่อะตอมของฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย นั่นคือ แต่ละคู่ของโปรตอนและนิวตรอนใน He-4 ครอบครองวงโคจรนิวเคลียร์เต็ม 1s ในลักษณะเดียวกับที่คู่ของอิเล็กตรอนในอะตอมของฮีเลียมครอบครองวงโคจรอิเล็กตรอนเต็ม 1s) ด้วยเหตุนี้อนุภาคแอลฟาจะปรากฏขึ้นบ่อยครั้งทางด้านขวามือของปฏิกิริยานิวเคลียร์

พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์จะปรากฏขึ้นส่วนใหญ่ในหนึ่งในสามวิธีต่อไปนี้:

• พลังงานจลน์ของอนุภาคของผลิตภัณฑ์
• การปล่อยโฟตอนพลังงานสูงมากที่เรียกว่ารังสีแกมมา
• พลังงานบางอย่างอาจยังคงอยู่ในนิวเคลียสที่เรียกว่าระดับพลังงาน metastable

เมื่อนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์อยู่ในสภาวะ metastable สถานะสามารถบ่งชี้ได้โดยการวางเครื่องหมายดอกจัน ("*") ถัดจากหมายเลขอะตอมของมัน พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกในที่สุดผ่านการสลายตัวของนิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear decay) ซึ่งเป็นการสลายให้กัมมันตรังสี

นอกจากนี้จำนวนเล็กน้อยของพลังงานยังอาจเกิดขึ้นในรูปแบบของรังสีเอกซ์ โดยทั่วไปนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ที่มีเลขอะตอมที่แตกต่างกัน และทำให้รูปแบบของเปลือกของอิเล็กตรอนผิดไป ในขณะที่อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวมันเองและลดระดับพลังงานลง รังสีเอกซ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงภายใน (รังสีเอกซ์ที่มีเส้นการแผ่ (อังกฤษ: emission line) ที่ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน) อาจจะถูกปลดปล่อยออกมา

ค่า Q และความสมดุลของพลังงาน

ในการเขียนสมการการเกิดปฏิกิริยา คล้ายกับสมการทางเคมี สารหนึ่งอาจบวกเข้าไปและให้พลังงานจากปฏิกิริยาทางด้านขวา เช่น:

นิวเคลียสเป้าหมาย + วัตถุยิงเข้าไป → นิวเคลียสสุดท้าย + วัตถุปล่อยทิ้ง + ค่า Q

สำหรับกรณีเฉพาะที่กล่าวถึงข้างต้น พลังงานปฏิกิริยาได้ถูกคำนวณเป็นค่า Q = 22.2 MeV ดังนั้น:

^6 3Li

+

^2 1H

→

2 ^4 2He

+

22.2 MeV

พลังงานปฏิกิริยา ("ค่า Q") จะเป็นบวกสำหรับปฏิกิริยา exothermal และเป็นลบสำหรับปฏิกิริยา endothermal ในทางตรงกันข้าม มันมีความแตกต่างระหว่างผลรวมของพลังงานจลน์ในด้านสุดท้ายกับในด้านเริ่มต้น แต่ในทางกลับกัน มันก็ยังมีความแตกต่างเช่นกันระหว่างมวลนิ่งนิวเคลียร์ในด้านเริ่มต้นกับในด้านสุดท้าย (เราได้คำนวณค่า Q ข้างต้นในวิธีนี้)

อัตราการเกิดปฏิกิริยา

ถ้าสมการของการเกิดปฏิกิริยามีความสมดุล มันไม่ได้หมายความว่าปฏิกิริยาได้เกิดขึ้นจริง อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคและฟลักซ์ของอนุภาคและภาคตัดขวางของปฏิกิริยา ตัวอย่างหนึ่งของพื้นที่เก็บขนาดใหญ่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือฐานข้อมูล REACLIB ที่ได้รับการดูแลรักษาโดยสถาบันร่วมสำหรับดาราศาสตร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์

นิวตรอนเมื่อเทียบกับไอออน

ในการกระทบกันครั้งแรกซึ่งจะเริ่มปฏิกิริยา อนุภาคต้องวิ่งเข้าหากันอย่างใกล้ชิดพอเพื่อให้แรงช่วงสั้นสามารถจะส่งผลต่อกัน เนื่องจากอนุภาคนิวเคลียร์ที่พบมากที่สุดจะมีประจุเป็นบวก ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าสถิตแรงสูงก่อนที่ปฏิกิริยาจะสามารถเริ่มต้นขึ้น แม้ว่านิวเคลียสเป้าหมายเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมที่เป็นกลาง อนุภาคอื่น ๆ จะต้องเจาะลึกไปไกลกว่าเมฆอิเล็กตรอนและเข้าไปใกล้กับนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวก ดังนั้นอนุภาคดังกล่าวจะต้องถูกเร่งความเร็วตั้งแต่แรกให้มีพลังงานที่สูง ตัวอย่างเช่น โดย:

• เครื่องเร่งอนุภาค
• การสลายของนิวเคลียสหรือการสลายให้กัมมันตรังสี (อนุภาคแอลฟาเป็นชนิดหลักที่น่าสนใจที่นี่ เนื่องจากรังสีบีตาและแกมมายากที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียร์)
• อุณหภูมิที่สูงอย่างมาก เป็นหลักล้านองศาเพื่อสร้างปฏิกิริยาเทอโมนิวเคลียร์
• รังสีคอสมิก

นอกจากนี้ เนื่องจากแรงผลักเป็นสัดส่วนกับผลผลิตของทั้งสองประจุ ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสที่หนักด้วยกันจะหาได้ยากกว่าปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสหนักและนิวเคลียสเบา และจำเป็นต้องมีระดับพลังงานเริ่มต้นที่สูงกว่าอีกด้วย ในขณะที่ปฏิกิริยาระหว่างสองนิวเคลียสเบาเป็นสิ่งที่พบมากที่สุด

นิวตรอน ในทางตรงกันข้าม ไม่มีประจุไฟฟ้าที่จะทำให้เกิดแรงผลัก และสามารถที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่พลังงานต่ำมาก ในความเป็นจริง ที่พลังงานอนุภาคที่ต่ำอย่างมาก (ที่สอดคล้องกับการสมดุลความร้อนที่อุณหภูมิห้อง) ความยาวคลื่นแบบ de Broglie ของนิวตรอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจจะเพิ่มภาคตัดขวางการดักจับของมันให้สูงขี้นอย่างมาก ที่ระดับพลังงานใกล้กับค่า resonances ของนิวเคลียสที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นนิวตรอนพลังงานต่ำอาจจะทำให้เกิดปฏิกิริยามากกว่านิวตรอนพลังงานสูงด้วยซ้ำ

ประเภทของปฏิกิริยาที่โดดเด่น

ในขณะที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี มีหลายชนิดที่พบบ่อย หรือโดดเด่นไปเลย ตัวอย่างได้แก่ :

• ปฏิกิริยาฟิวชั่น - นิวเคลียสเบาสองตัวรวมตัวเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า ด้วยอนุภาคที่เพิ่มเข้าไป (ปกติเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน) ถูกโยนออกมาเพื่อการอนุรักษ์โมเมนตัม
• ปฏิกิริยาฟิชชั่น - นิวเคลียสหนึ่งถูกชนโดยอนุภาคหนึ่งที่มีพลังงานและโมเมนตัมเพียงพอที่จะเคาะให้แตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยจำนวนมาก
• การปล่อยรังสีแกมมาโดยการเหนี่ยวนำ มีเพียงโฟตอนเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการสร้างและทำลายสถานะของการกระตุ้นนิวเคลียส
• การสลายให้อนุภาคแอลฟา - ถึงแม้ว่าจะถูกขับเคลื่อนโดยแรงพื้นฐานเช่นเดียวกันกับฟิชชันเกิดเอง การสลาย α ก็มักจะถือว่าแยกออกจากการเหนี่ยวนำ ความคิดที่มักจะอ้างบ่อยๆว่า "ปฏิกิริยานิวเคลียร์" จะถูกกักบริเวณให้อยู่ในกระบวนการที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดเป็นสิ่งที่ไม่ถูกต้อง "การสลายกัมมันตรังสี" เป็นกลุ่มย่อยของ "ปฏิกิริยานิวเคลียร์" ที่เกิดขึ้นเองมากกว่าที่จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิด ยกตัวอย่าง ที่เรียกว่า "อนุภาคแอลฟาร้อน" ที่มีพลังงานสูงผิดปกติอาจมีการผลิตจริงในฟิชชันที่เกิดโดยการเหนี่ยวนำแบบสามชิ้นแตกที่มีประจุ (อังกฤษ: induced ternary fission) ซึ่งเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบเหนี่ยวนำ (ตรงข้ามกับฟิชชันเกิดเอง) อนุภาคแอลฟาดังกล่าวเกิดขึ้นจากฟิวชั่นสามชิ้นแตกที่เกิดขึ้นเองเช่นกัน
• ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นที่เหนี่ยวนำโดยนิวตรอน - นิวเคลียสที่หนักมากตัวหนึ่ง เกิดขึ้นเองหรือหลังจากการดูดซับอนุภาคเบาเพิ่มเติม (ปกติจะเป็นนิวตรอน) แยกออกเป็นสองหรือสามชิ้นในบางครั้ง นี่คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิด การฟิชชั่นที่เกิดชึ้นเอง ซึ่งเกิดขึ้นโดยปราศจากความช่วยเหลือของนิวตรอน มักจะไม่ถือว่าเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่ส่วนใหญ่ มันก็ไม่ได้เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิด

ปฏิกิริยาโดยตรง

การยิงด้วยพลังงานปานกลางจะถ่ายเทพลังงานหรือได้รับนิวคลีออนหรือสูญเสียนิวคลีออนให้กับนิวเคลียสในการกระทบกันอย่างรวดเร็วเพียงครั้งเดียว (10⁻²¹ วินาที) การถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่ก็เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ เพราะกลไกการเกิดปฏิกิริยามักจะง่ายพอที่จะคำนวณด้วยความถูกต้องเพียงพอที่จะตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสเป้าหมาย

การกระเจิงที่ไม่ยืดหยุ่น

บทความหลัก: Inelastic scattering

จะมีการถ่ายโอนเฉพาะพลังงานและโมเมนตัมเท่านั้น

• (p,p') มีการทดสอบถึงความแตกต่างระหว่างสถานะต่าง ๆ ของนิวเคลียร์
• (α,α') มีการวัดรูปทรงและขนาดของพื้นผิวนิวเคลียร์ เนื่องจากอนุภาค α ที่กระทบกับนิวเคลียสมีปฏิกิริยาที่รุนแรงมากกว่า การกระเจิงของอนุภาค α ที่ตื้นและไม่ยืดหยุ่นและแบบยืดหยุ่นจะมีความไวต่อรูปร่างและขนาดของเป้าหมาย เช่นแสงที่กระจายจากวัตถ​​ุสีดำขนาดเล็ก
• (e,e') จะเป็นประโยชน์สำหรับการทดสอบโครงสร้างภายใน เนื่องจากอิเล็กตรอนทั้งหลายจะมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงน้อยกว่าที่โปรตอนและนิวตรอนทำ พวกมันเข้าไปถึงศูนย์กลางของเป้าหมายและฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะมีการบิดเบือนน้อยกว่าโดยการผ่านทะลุนิวเคลียส

ปฏิกิริยาการถ่ายโอน

ปกติที่พลังงานต่ำปานกลาง นิวคลีออนหนึ่งตัวหรือมากกว่าจะถูกถ่ายโอนระหว่างกระสุนและเป้าหมาย สิ่งเหล่านี้มีประโยชน์ในการศึกษาโครงสร้างเปลือกนอกของนิวเคลียส

• ปฏิกิริยา (α,n) และ (α,p). บางส่วนของการศึกษด้านปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เก่าแก่ที่สุดจะเกี่ยวข้องกับอนุภาคแอลฟาที่ผลิตโดยการสลายให้อนุภาคแอลฟา มีการกระเทาะนิวคลีออนออกจากนิวเคลียสเป้าหมาย
• ปฏิกิริยา (d,n) และ (d,p). ลำแสงดิวเทอรอนปะทะเข้ากับเป้าหมาย; นิวเคลียสของเป้าหมายทำการดูดซับนิวตรอนหรือโปรตอนอย่างใดอย่างหนึ่งจากดิวเทอรอน สารดืวเทอรอนมีการผูกติดกันอย่างหลวมเสียจนกระทั่งการดักจับเป็นไปเกือบจะเหมือนกับเป็นการดักจับโปรตอนหรือนิวตรอน นิวเคลียสของสารประกอบอาจก่อตัวขึ้น ทำให้นิวตรอนที่เกิดเพิ่มเติมถูกปล่อยออกมาอย่างช้า ๆ ปฏิกิริยา (d,n) จะถูกใช้ในการสร้างนิวตรอนที่มีพลังงาน
• ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนแบบประหลาด (Kaon(K), Pion(π)) ถูกใช้ในการศึกษาเกี่ยวกับ hypernucleus
• ปฏิกิริยา ¹⁴N(α,p)¹⁷O ที่ดำเนินการโดยรัทเธอร์ฟอร์ดในปี 1917 (ถูกรายงานในปี 1919) โดยทั่วไปถือว่าเป็นการทดลองเกี่ยวกับการแปลงพันธ์นิวเคลียร์ครั้งแรก

ปฏิกิริยากับนิวตรอน

	→ T	→ ^7Li	→ ^14C
(n,α)	^6Li + n → T + α	^10B + n → ^7Li + α	^17O + n → ^14C + α	^21Ne + n → ^18O + α	^37Ar + n → ^34S + α
(n,p)	^3He + n → T + p	^7Be + n → ^7Li + p	^14N + n → ^14C + p	^22Na + n → ^22Ne + p

ปฏิกิริยาทั้งหลายที่เกิดกับนิวตรอนต่างๆมีความสำคัญในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ ในขณะที่ปฏิกิริยานิวตรอนที่รู้จักกันดีคือการกระเจิงของนิวตรอน (อังกฤษ: neutron scattering), การจับยึดนิวตรอนและนิวเคลียร์ฟิชชั่น สำหรับบางนิวเคลียสเบา (โดยเฉพาะ'นิวเคลียสแปลกแปลก') ปฏิกิริยากับนิวตรอนความร้อนส่วนใหญ่จะเป็นปฏิกิริยาแบบถ่ายโอน ดังนี้:

บางปฏิกิริยามีความเป็นไปได้เฉพาะกับนิวตรอนเร็วเท่านั้น ได้แก่:

• ปฏิกิริยา (n,2n) จะผลิตโพรโทแอกทิเนียม-231 และ U-232 จำนวนเล็กน้อยใน'วัฏจักรทอเรียม'ซึ่งในทางตรงข้ามเป็นผลิตภัณฑ์แอกติไนต์ที่ค่อนข้างปลอดกัมมันตภาพรังสีอย่างสูง
• ⁹Be + n → 2α + 2n สามารถสร้างบางนิวตรอนเพิ่มเติมในต้วสะท้อนนิวตรอนที่ใช้สารเบริลเลียมของอาวุธนิวเคลียร์ชนิดหนึ่ง
• ⁷Li + n → T + α + n มีส่วนร่วมแบบไม่คาดคิดทีให้ผลลัพธ์เ​​พิ่มเติมใน Castle Bravo, Castle Romeo, และ Castle Yankee ทั้งสามรายการนี้เป็นการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ที่ให้ผลลัพธ์สูงสุดที่ดำเนินการโดยสหรัฐอเมริกา

ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบผสม

การถ่ายโอนพลังงานไปให้กับนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นได้โดยการยิงด้วยกระสุนพลังงานต่ำหรือด้วยอนุภาคพลังงานสูง ทำให้เกิดพลังงานบนนิวเคลียสจำนวนมากเกินไปที่จะผูกพันอนุภาคภายในนิวเคลียสนั้นให้สามารถเกาะกลุ่มร่วมกันได้อย่างเต็มที่ ในระดับเวลาประมาณ 10⁻¹⁹ วินาที อนุภาค มักจะเป็นนิวตรอน จะถูก "ต้ม" จนแตกออก นั่นคือมันจะยังคงเกาะติดอยู่ด้วยกันจนกระทั่งพลังงานที่มากพอปรากฏขึ้นบนนิวตรอนจนมีความเข้มข้นพอที่นิวตรอนนั้นจะหลุดออกจากแรงดึงดูดที่มีร่วมกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะยากที่จะถูกต้มจนแตกออกอันเนื่องมาจากเครื่องกั้นของคูลอมบ์ (อังกฤษ: coulomb barrier) นิวเคลียสกึ่งผูกพันที่ถูกกระตุ้นจะถูกเรียกว่า นิวเคลียสผสม (อังกฤษ: compound nucleus)

(e, e' xn), (γ, xn) ที่มีพลังงานต่ำ (xn หมายถึงนิวตรอนหนึ่งหรือมากกว่า) เมื่อรังสีแกมมาหรือ'พลังงานรังสีแกมมาเสมือน' อยู่ใกล้กับ giant dipole resonance พลังงานหรือรังสีเหล่านี้จะเพิ่มความจำเป็นสำหรับ'การป้องกันรังสี'รอบ'เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน'

ข้อมูลเพิ่มเติม: การแบ่งแยกนิวเคลียส

อ้างอิง

1. The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars
2. R. J. D. Tilley Understanding solids: the science of materials, John Wiley and Sons, 2004, ISBN 0-470-85275-5, p. 495
3. Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932.
4. a table of atomic masses

แหล่งข้อมูลอื่น

• M.G. Bowler, Nuclear Physics, Pergamon Press 1973. ISBN 0-08-016983-X