Theo cách tương tự như phản ứng hóa học có thể phân loại là tỏa nhiệt (giải phóng năng lượng) hay thu nhiệt (yêu cầu năng lượng để phản ứng), các phản ứng hạt nhân có thể giải phóng hoặc sử dụng hết năng lượng. Năng lượng có trong phản ứng hạt nhân lớn hơn rất nhiều lần. Phải đốt hàng ngàn tấn than đá mới tạo ra được năng lượng lớn như năng lượng do một kg nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân tạo ra.
Mặc dù các phản ứng hạt nhân tiêu hao năng lượng (phản ứng thu năng lượng) có thể khởi tạo trong máy gia tốc, trong đó một hạt nhân được cho đâm vào một hạt nhân khác ở tốc độ cao, nhưng chúng không xảy ra trong tự nhiên, không xảy ra cả trong Mặt Trời. Đơn giản là vì lượng động năng cần thiết không sẵn có.
Để tìm lượng năng lượng tiêu hao hoặc giải phóng trong một phản ứng hạt nhân, bạn cần phải biết bao nhiêu năng lượng tương tác hạt nhân, Uhn, được dự trữ hoặc giải phóng. Các nhà thực nghiệm đã xác định được lượng năng lượng hạt nhân dự trữ trong hạt nhân của mỗi nguyên tố bền, cũng như nhiều nguyên tố không bền. Đây là lượng công cơ học cần thiết để tách hạt nhân ra thành từng neutron và proton của nó, và ngày nay gọi là năng lượng liên kết hạt nhân.
Ví dụ 3. Phản ứng xảy ra trong Mặt Trời
Mặt Trời sản sinh năng lượng của nó qua một chuỗi phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Một trong các phản ứng đó là
1H + 2H 3He +
Năng lượng thừa hầu như đều được mang bởi tia gamma (chứ không phải bởi động năng của nguyên tử 3He). Năng lượng liên kết tính bằng đơn vị pJ (pico joule) là
1H 0 pJ
2H 0,35593 pJ
3He 1,23489 pJ
Năng lượng hạt nhân toàn phần ban đầu là 0 pJ + 0,35593 pJ, và năng lượng hạt nhân cuối cùng là 1,23489 pJ, nên theo sự bảo toàn năng lượng, tia gamma phải mang khỏi năng lượng 0,87896 pJ. Tia gamma khi đó bị Mặt Trời hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt.
Tại sao năng lượng liên kết của 1H chính xác bằng không ?
Sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng và năng lượng thành khối lượng
Nếu bạn cộng khối lượng của ba hạt sinh ra trong phản ứng n p + e- + v, bạn sẽ thấy chúng không bằng với khối lượng của neutron, nên khối lượng không được bảo toàn. Một ví dụ còn hiển nhiên hơn nữa là sự hủy của một electron với một positron, e - + e + 2, trong đó khối lượng ban đầu bị triệt tiêu hoàn toàn, vì tia gamma không có khối lượng. Sự không bảo toàn khối lượng không chỉ là một tính chất của phản ứng hạt nhân. Nó cũng xảy ra trong các phản ứng hóa học, nhưng sự thay đổi khối lượng quá nhỏ để phát hiện với những chiếc cân thông thường trong phòng thí nghiệm.
Lí do khối lượng không bảo toàn là khối lượng đã chuyển hóa thành năng lượng, theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2, trong đó c là tốc độ ánh sáng. Trong phản ứng e - + e +
2, chẳng hạn, tưởng tượng cho đơn giản là electron và positron đang chuyển động rất chậm khi chúng va chạm, nên chúng không có năng lượng khởi đầu nào đáng kể. Chúng ta đang bắt đầu với khối lượng và không có năng lượng, và kết thúc với hai tia gamma có năng lượng nhưng không có khối lượng. Phương trình E = mc2 của Einstein cho chúng ta biết hệ số chuyển đổi giữa khối lượng và năng lượng bằng với bình phương của tốc độ ánh sáng. Vì c là một số rất lớn, nên năng lượng
tiêu hao hoặc giải phóng bởi một phản ứng hóa học chỉ lộ ra phần thay đổi nhỏ xíu ở khối lượng. Nhưng trong phản ứng hạt nhân, phản ứng có một lượng lớn năng lượng, sự thay đổi khối lượng có thể nhiều lên tới một phần ngàn. Lưu ý là trong ngữ cảnh này, c không nhất thiết là tốc độ của hạt nào. Chúng ta chỉ sử dụng giá trị bằng số của nó làm hệ số chuyển đổi. Cũng nên lưu ý là E = mc2
không có nghĩa là một vật có khối lượng m có động năng bằng với mc2, mà năng lượng mô tả bởi phương trình E = mc2 là năng lượng bạn có thể giải phóng nếu bạn phá hủy một hạt và chuyển toàn bộ khối lượng của nó thành năng lượng, và năng lượng đó sẽ cộng thêm với động năng hay thế năng mà vật có.
Bây giờ có phải chúng ta đã bị lừa lấy mất hai định luật bảo toàn hoàn hảo một cách tuyệt vời, định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng? Không, theo Einstein, đại lượng bảo toàn là E + mc2, không phải riêng E cũng không phải riêng m. Đại lượng E + mc2 được gọi là khối lượng-năng lượng, và từ trước đến nay không hề có sự vi phạm nào đối với định luật bảo toàn khối lượng-năng lượng được quan sát thấy. Trong đa số những tình huống thực tế, hoàn toàn có thể xem khối lượng và năng lượng là những đại lượng bảo toàn độc lập.
Ngày nay, thật dễ dàng giải thích tại sao các proton đơn độc (hạt nhân hydrogen) được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng neutron người ta chỉ gặp ở bên trong hạt nhân, chứ không thấy riêng lẻ. Trong quá trình n p + e- + v, tổng khối lượng sau cùng nhỏ hơn khối lượng neutron, nên khối lượng đã chuyển hóa thành năng lượng. Trong phân hủy beta của proton, p n + e+ + , khối lượng sau cùng lớn hơn khối lượng ban đầu, nên cần phải cung cấp một số năng lượng để chuyển hóa thành khối lượng. Một proton nằm trong một nguyên tử hydrogen không thể phân hủy, vì nó không có nguồn cấp năng lượng. Chỉ những proton nằm bên trong hạt nhân có thể phân hủy, và chỉ khi nào sự chênh lệch thế năng giữa hạt nhân ban đầu và hạt nhân mới gây ra sự giải phóng năng lượng. Nhưng bất kì neutron đơn độc nào được tạo ra trong những phản ứng tự nhiên hoặc nhân tạo đều sẽ phân hủy trong vòng khoảng vài giây, giải phóng một số năng lượng.
Phương trình E = mc2 xuất hiện tự nhiên như là một phần của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, chúng ta sẽ không nghiên cứu lí thuyết đó lúc này. Vấn đề chủ yếu ở đây chỉ là làm sáng tỏ xem khối lượng đã biến đi đâu trong một số phản ứng hạt nhân mà chúng ta nói tới.
Hình v là một cách súc tích biểu diễn sự đa dạng của hạt nhân. Mỗi ô biểu diễn một số proton và neutron nhất định. Ô màu đen là hạt nhân bền, tức là cần cung cấp năng lượng để làm biến đổi nó thành hạt nhân khác. Ô màu xám là toàn bộ những hạt nhân không bền đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Một số hạt nhân này tồn tại trung bình hàng tỉ năm trước khi phân rã và đã được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng một số có thời gian sống trung bình ngắn hơn nhiều, và chỉ có thể tạo ra và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
v/ Những hạt nhân đã biết, biểu diễn trên biểu đồ số proton theo số neutron. Lưu ý hai hạt nhân ở hàng dưới cùng có không proton. Một hạt chỉ là một neutron đơn độc. Còn hạt kia là một cụm bốn neutron. “Tetraneutron” này đã được báo cáo, gây bất ngờ, là một hệ liên kết thu được từ một thí nghiệm năm 2002.
Kết quả đó có thể gây tranh cãi. Nếu đúng, nó sẽ ngụ ý sự tồn tại của một loại vật chất từ trước đến nay không biết, đó là giọt neutron, chúng ta có thể nghĩ đó là một nguyên tử không có proton hay electron nào.
Đường cong mà các hạt nhân bền nằm dọc theo đó gọi là đường cong ổn định. Hạt nhân nằm dọc theo đường này có tỉ lệ neutron trên proton bền vững nhất. Đối với hạt nhân nhẹ, sự pha trộn bền nhất là khoảng 50 – 50, nhưng chúng ta có thể thấy những hạt nhân nặng bền có số neutron nhiều hơn số proton hai hoặc ba lần. Đấy là do lực đẩy điện của tất cả các proton trong hạt nhân nặng cộng lại thành một lực mạnh có xu hướng làm nó vỡ ra. Sự có mặt của một số lượng lớn neutron làm tăng khoảng cách giữa các proton, và cũng làm tăng số lực hút do lực hạt nhân mạnh.