Phản ứng hạt nhân là phản ứng có sự biến đổi ở hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng hóa học.

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong các lĩnh vực: y học (chuẩn đoán ung thư, xạ trị,…), công nghiệp (tìm khuyết tật trong vật liệu, đo độ dày vật liệu,…), nông nghiệp (biến đổi cấu trúc gene để tạo giống mới,…), nghiên cứu khoa học (sử dụng đồng vị ${}^{54}Mn$để đánh giá kim loại nặng trong nước thải…), xác định niên đại cổ vật, sử dụng năng lượng điện từ phản ứng phân hạch ${}_{}{}^{235}U$.

Uranium được tìm thấy trong tự nhiên gồm hai đồng vị phổ biến là ${}^{235}U$(0,711%) và ${}^{238}U$ (99,284%).

Quá trình (1) không phải là phóng xạ tự nhiên vì cần tác động bên ngoài (dùng mồi lửa đốt cháy) thì mới xảy ra.

Quá trình (2) là phóng xạ tự nhiên vì nguyên tố ${}^{14}C$ tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài.

Tia phóng xạ gồm có hạt alpha (α), hạt beta (β) và bức xạ điện từ gamma (γ) được gọi là phóng xạ α, phóng xạ β, phóng xạ γ.

Cụ thể:

- Hạt (α) (${}_2{}^{4}He$) là hạt nhân helium, gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron, nên mang điện tích dương. Hầu hết các đồng vị phóng xạ có Z > 83 là phóng xạ theo kiểu α.

Ví dụ phóng xạ α: ${}_{88}{}^{226}Ra\to {}_{86}{}^{222}Rn+{}_2{}^{4}He$

- Hạt β (${}_{-1}{}^{0}e$) có điện tích -1 và khối khối bằng 0.

- Hạt β⁺ (${}_{+1}{}^{0}e$) còn gọi là positron, có cùng khối lượng với electron và mang điện tích +1. Phóng xạ β là tên gọi thay cho phóng xạ β^-, do phóng xạ β^- phổ biến hơn β⁺

- Phóng xạ γ là dòng photon có năng lượng cao. Phóng xạ γ thường đi kèm với phóng xạ α, β.

Các tia phóng xạ có khả năng đân xuyên một số vật khác nhau. Tia β có thể đi xuyên qua giấy, tia γ đi xuyên qua giấy, da, nhựa, aluminium, wolfram,…

Phóng xạ β là tên gọi thay cho phóng xạ β^-, do phóng xạ β^- phổ biến hơn β⁺

Trong 3 loại phóng xạ, phóng xạ γ khác biệt cơ bản với hai loại còn lại.

Phóng xạ γ không mang điện tích, có năng lượng cao hơn hẳn, có khả năng đâm xuyên tốt nhất.

Khi chiếu chùm tia phóng xạ (α, β, γ) đi vào giữa hai bản điện cực:

- Chùm tia α bị lệch ít và lệch về phía cực âm trong trường điện.

- Chùm tia β bị lệch nhiều và lệch về phía cực dương trong trường điện.

- Chùm tia γ không bị lệch trong trường điện.

Đối với phản ứng hạt nhân: ${}_{92}{}^{238}U\to {}_Z{}^{A}Th+{}_2{}^{4}He$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 238 = A + 4 ⇒ A = 234

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 92 = Z + 2 ⇒ Z = 90

Hoàn thành: ${}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$

Đối với phản ứng hạt nhân: ${}_{93}{}^{239}Np\to {}_Z{}^{A}Pu+{}_{-1}{}^{0}e$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 239 = A + 0 ⇒ A = 239

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 93 = Z + (-1) ⇒ Z = 94

Hoàn thành: ${}_{93}{}^{239}Np\to {}_{94}{}^{239}Pu+{}_{-1}{}^{0}e$

Số khối của các mảnh phân hạch nhỏ hơn số khối của hạt nhân ban đầu.

Đồng vị phóng xạ hạt nhân được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân.

Trong nhiều phản ứng hạt nhân, có thể tạo ra các đồng vị không bền gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo (đồng vị phóng xạ hạt nhân). Các đồng vị này bị phân rã tạo thành đồng vị bền hơn và phát bức xạ.

Trong lĩnh vực y học

- Ứng dụng kĩ thuật y học hạt nhân trong chuẩn đoán và điều trị bệnh: Kĩ thuật chụp hình phát hiện ung thư bằng máy SPECT (Single Emission Computed Tomography – Kĩ thuật chụp cắt lớp đơn photon), PET (Positron Emisssion Tomography - Kĩ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron) kết hợp với CT như SPECT/CT, PET/CT, giúp chuẩn đoán ung thư, kiểm tra và đánh giá mức độ hiệu quả của các phương pháp điều trị.

- Sử dụng dược chất phóng xạ vào cơ thể người bệnh: Dùng đồng vị ${}_{131}I$ dưới dạng sodium iodide trong điều trị bệnh nhân ung thư tuyến giáp, ${}_{131}I$ sẽ truy tìm và lưu lại ở những nơi còn tế bào ung thư hoặc các tổ chức di căn, phát ra bức xạ β tiêu diệt tế bào ung thư tuyến giáp: ${}_{53}{}^{131}I\to {}_{54}{}^{131}Xe+\beta$

- Xạ trị: ứng dụng điều trị ung thư. Sử dụng các hạt và sóng có năng lượng cao như: tia X, tia gamma, chùm tia điện tử, proton, ... để tiêu diệt hoặc phá hủy tế bào ung thư.

Trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

- Đồng vị phóng xạ được dùng trong chụp X-quang công nghiệp, tìm kiếm các khuyết tật trong vật liệu, đo mực chất lỏng trong bồn chứa, đo độ dày của các vật liệu, kiểm tra tính toàn vẹn của mối hàn hay cấu trúc turbine của máy bay phản lực,…

- Sử dụng đồng vị phóng xạ trong theo dõi quá trình hấp thụ các nguyên tố trong phân bón hoặc làm thay đổi cấu trúc gên để tạo giống mới, năng suất và kinh tế hơn.

- Sử dụng đồng vị phóng xạ tron lĩnh vực xử lí nước thải, thăm dò vật chất ô nhiễm từ dược phẩm phóng xạ.

Ví dụ:

+ Đồng vị tritium để đánh dấu, nghiên cứu nước thải và chất thải lỏng.

+ Đồng vị ${}_{54}Mn$ để đánh giá kim loại nặng trong nước thải,…

Trong việc xác định niên đại cổ vật

${}_{14}C$ là đồng vị phóng xạ được dùng trong xác định niên đại cổ vật. Đồng vị ${}_{14}C$ được hình thành trong tự nhiên theo phản ứng sau: ${}_0{}^{1}n+{}_7{}^{14}N\to {}_6{}^{14}C+{}_1{}^{1}p$

Đồng vị ${}_{14}C$ trong tự nhiên phát phóng xạ β tạo ra ${}_{14}N$

${}_6{}^{14}C\to {}_7{}^{14}N+{}_{-1}{}^{0}e$

Sau thời gian dài, quá trình tạo thành và phân rã ${}_{14}C$ cân bằng nhau, tỉ lệ ${}_{14}C$ trong tự nhiên là xác định. ${}_{14}C$ có mặt khắp nơi trong môi trường, chủ yếu ở dạng ${}_{14}C{O}_2$, thực vật quang hợp, hấp thụ CO₂, chuyển hóa thành chất hữu cơ, làm thức ăn cho động vật, nên trong cơ thể động, thực vật luôn có đồng vị ${}^{14}C$. Khi sinh vật chết, chúng ngừng hấp thụ ${}^{14}C$ và bắt đầu quá trình phân rã phóng xạ ${}^{14}C$. Các nhà khoa học đã tính toán được khoảng thời gian để một nửa lượng ${}^{14}C$ bị phân hủy, gọi là chu kì bán hủy. Chu kì bán hủy của ${}^{14}C$ là 5730 năm. Bằng cách đo tỉ lệ ${}^{14}C$ với tổng lượng carbon trong mẫu, so sánh với chu kì bán hủy ${}^{14}C$ để xác định niên đại cổ vật.

Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân chủ yếu được sử dụng từ phản ứng phân hạch ${}^{235}U$, năng lượng điện sử dụng trên thế giới từ phản ứng hạt nhân chiếm từ 10% - 15%. Ưu điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là không tạo ra khí thải nhà kính. Bên cạnh đó, cũng gây ra những hiểm họa về rò rỉ phóng xạ, tai nạn cháy nổ, một số quốc gia sử dụng trong mục đích chiến tranh,…

Trong tương lai gần, con người có thể tạo ra và sử dụng nguồn năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch.

Cổ vật và các mẫu hóa thạch là xác của động, thực vật (sinh vật). Mà trong cơ thể sinh vật mới có đồng vị ${}_{14}C$.

Các mẫu đá trong lớp địa chất không có đồng vị ${}_{14}C$ nên ta sử dụng đồng vị ${}_{238}U$.

Ứng dụng nghiên cứu bản chất của vật chất:

Các máy gia tốc làm tăng năng lượng (động năng) dòng hạt proton, electron, … lên rất cao. Dòng hạt này khi va chạm và hạt nhân (thậm chí với các hạt tạo nên hạt nhân) nào đó sẽ phá vỡ chúng thành nhiều hạt nhỏ hơn, giúp các nhà khoa học có thêm thông tin về thành phần và bản chất của vật chất.

Phản ứng ${}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$ hạt nhân tự phát ra tia phóng xạ nên là phóng xạ tự nhiên.

Phản ứng ${}_{92}{}^{238}U+{}_0{}^{1}n\to {}_{93}{}^{239}Np+{}_{-1}{}^0\beta$ hạt nhân phát ra tia phóng xạ nhờ tác động của neutron nên là phóng xạ nhân tạo.

a) Phát xạ 1 hạt β⁺ của ${}_6{}^{11}C$

${}_6{}^{11}C\to {}_5{}^{11}B+{}_{+1}{}^{0}e$

b) Phóng xạ 1 hạt β của ${}_{99}Mo$(đồng vị molybdenum-99).

${}_{42}{}^{99}Mo\to {}_{43}{}^{99}Tc+{}_{-1}{}^{0}e$

c) Phóng xạ 1 hạt α kèm theo γ từ ${}_{74}{}^{185}\text{W}$.

$\begin{array}{l}{}_{74}{}^{185}\text{W}\to {}_2{}^{4}He+{}_{72}{}^{181}H{f}^{\ast }\\ {}_{72}{}^{181}H{f}^{\ast }\to {}_{72}{}^{181}Th+{}_0{}^0\gamma \end{array}$

a) ${}_5{}^{10}B+{}_Z{}^{A}X\to {}_4{}^{8}Be+\alpha$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 10 + A = 8 + 4 ⇒ A = 2

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 5 + Z = 4 + 2 ⇒ Z = 1

Vật X là hạt ${}_1{}^{2}H$

b) ${}_9{}^{19}F+{}_1{}^{1}p\to {}_8{}^{16}O+X$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 19 + 1 = 16 + 4 ⇒ A = 4

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 9 + 1 = 8 + Z ⇒ Z = 2

Vật X là hạt ${}_2{}^{4}He$

c) ${}_0{}^{1}n+{}_{92}{}^{235}U\to {}_{42}{}^{95}Mo+{}_{57}{}^{139}La+2X+7{}_{-1}{}^{0}e$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 1 + 235 = 95 + 139 + 2.A + 7.0 ⇒ A = 1

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = 42 + 57 + 2.Z + 7.(-1) ⇒ Z = 0

Vậy X là hạt ${}_0{}^{1}n$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 238 = 206 + 4x + 0y ⇒ x = 8

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 92 = 82 + 2x – y thay x = 8 ⇒ y = 6

Vậy số lần phóng xạ α là 8, số lần phóng xạ β là 6.