Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng tự phát xảy ra bên trong hạt nhân không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài. Các chất phóng xạ tự nhiên thường là những đồng vị hạt nhân nặng tập trụng chủ yếu ở 4 họ phóng xạ mà chúng ta đã xét trước đây. Nhưng ngày nay các chất phóng xạ tự nhiên đã gần như cạn kiệt, nmà ứng dụng của chúng thì có vai trò rất lớn trong đời sống kỹ thuật. Vì vậy cần tạo ra các chất phóng xạ mới có nhiều ứng dụng hữu ích cho con người và phương pháp để tạo ra các hạt nhân phóng xạ mới đó là phương pháp biến đổi nhân tạo hạt nhân, thông qua các phản ứng hạt nhân. Để thực hiện một phản ứng hạt nhân người ta thường dùng một hạt “đạn” có năng lượng lớn để bắn phá các hạt nhân “bia” và có khả năng xảy ra kết quả là: - Hạt “đạn” chỉ đi rất gần hạt nhân “bia” và bị tán xạ đàn hồi, mà không gây ra
phản ứng hạt nhân, như trường hợp thí nghiệm Ruđopho.
- Hạt đạn xuyên vào bên trong hạt nhân và hạt nhân bắt giữ hạt đạn này, để trở thành một hạt nhân mới. hạt nhân mới này thường là không bền và ngay sau đó tự phân rã để cho ra một hạt nhân mới kèm heo một hạt đạn nhẹ bay ra. Và khi đó một phản ứng hạt nhân đã được thực hiện.
Phản ứng hạt nhân được biểu diễn như sau:
a: hạt đạn. X: hạt nhân bia. Y: hạt nhân con.
b: là hạt nhẹ bay ra sau phản ứng.
(1-1)
Phản ứng đầu tiên do con người tạo ra là phản ứng do Ruđơpho thực hiện năm 1919. Khi đó ông chọn hạt a làm đạn để bắn phá hạt nhân Nitơ và phản ứng được viết là:
Hạt nhẹ bay ra chính là hạt proton.
(1-2)
Phản ứng hạt nhân trên thoả mãn định luật bảo toàn điện tích, bảo toàn số nuclon, và bảo toàn khối lượng.
Đến năm 1932, các phản ứng hạt nhân đều được thực hiện bởi các hạt a hoặc tia g từ các nguồn phóng xạ tự nhiên. Sau khi có máy gia tốc hạt, người ta đã dùng các hạt được gia tốc để làm đạn. Ví dụ dùng chùm hạt proton có năng lượng 500KeV để bắn phá hạt nhân Li theo phản ứng:
(1-3) Hoặc dùng chùm hạt a để bắn phá hạt nhân Al.
(1-4)
Hạt nhân không bền và phân rã thành đồng vị bền với chu kỳ bán rã 2,6 phút.
(1-5)
Các hạt nhân mới sinhửa sau phản ứng không bền và phân rã tự phát theo định luật phóng xạ là một đặc điểm của nhiều phản ứng hạt nhân. Hiện tượng đó gọi là phóng xạ nhân tạo. Như vậy phản ứng hạt nhân là biện pháp chủ yếu để thu được các đồng vị phóng xạ nhân tạo.
Các phản ứng hạt nhân còn được ký hiệu vắn tắt như sau: X(a,b)Y. (1-6) 2.TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN:
Chúng ta đã nói đến phản ứng hạt nhân, bây giò chúng ta sẽ xét xem các khả năng để xảy ra một phản ứng hạt nhân . Chúng ta biết rằng không phải cứ có một hạt đạn tới hạt nhân bia là có phản ứng hạt nhân xảy ra, mà khả năng xảy ra môt hản ứng hạt nhân chỉ có một xác suất nào đó mà thôi.
Ta hãy tưởng tượng mỗi hạt nhân X trong các hạt nhân bia được gắn với một tiết diện s gọi là tiết diện hiệu dụng theo hướng vuông góc với phương tới của hạt đan. Bia được xem như là rất mỏng để sao cho không có một hạt nhân nào bị che lấp bởi các hạt nhân khác, và nếu hạt đạn lọt vào tiết diện s này thì chắc chắn phản ứng hạt nhân xảy ra. ngược lại nếu hạt đạn không đi qua bất kỳ một tiết diện hiệu dụng s nào thì không có phản ứng hạt nhân xảy ra.
Giả sử có n1 hạt nhân đập vào bia trong đó chỉ có ns hạt đi qua các tiết diện hiệu dụng tức là tạo ra ns phản ứng hạt nhân. Vậy xác suất P để tìm một phản ứng hạt nhân có thể xảy ra bằng tỷ số: , tức là: .
Xác suất này cũng bằng tỷ số của tiết diện hiệu dụng toàn phần đối với tất cả các hạt nhân bia và diện tích toàn phần của bia: Nếu diện tích của bia là A, bề dày của bia lad d và số hạt nhân bia trên đơn vị thể tích là N thì tiết diện hiệu dụng toàn phần là s.N.A.d và xác suất P phản ứng bằng:
Vậy xác suất của phản ứng thì tỷ lệ với tiết diện hiệu dụng. Tiết diện hiệu dụng có giá trị thay đổi tuỳ theo phản ứng. Ngoài ra nó còn phụ thuộc cả vào năng lượng của hạt đạn tới. Đơn vị dùng để đo tiết diện hiệu dụng gọi là bara.
Phép đo tiết diện hiệu dụng bằng thực nghiệm có một giá trị rất quan trọng vì giá trị σ đo được sẽ cho ta biết xác suất của phản ứng xảy ra. Trong các thí nghiệm, khi cho hạt a đơn năng đập vào bia, người ta đo σ bằng cách xác định số hạt b bay ra hay là số hạt nhân sản phẩm Y được tạo thành, để từ đó tìm σ.