Kernreactie

Schematische weergave van de fusiereactie vandeuteriumentritium.

Eenkernreactieis een proces waarbij dekernenvanatomenvan samenstelling veranderen. Dit kan plaatsvinden door het absorberen van andere kernen of deeltjes, waarbij ze ook wel in delen uit elkaar kunnen vallen, of door spontaanradioactief verval,waarbij uitzending van een of meer deeltjes plaatsvindt. De betekenis van het woordkernreactiewordt soms beperkt tot het eerste, omdat iets spontaans niet letterlijk een "reactie" is.

Een kernreactie is duidelijk te onderscheiden van eenscheikundige reactie,waarbij de kernen van de deelnemende atomen ongewijzigd blijven. Hierbij verandert alleen de rangschikking van de atomen door het herverdelen van deelektronen.De enige kracht die hierbij betrokken is, is deelektromagnetische kracht.Bij kernreacties wordt de kern van de atomen veranderd en speelt de veel groteresterke kernkrachteen rol. Deze is voor afstanden groter dan een atoomkern verwaarloosbaar, maar op de kleine afstanden waarop kernreacties zich afspelen vele malen sterker dan de elektromagnetische kracht.

Hierdoor zijn ook de energieën betrokken bij kernreacties vele malen (in de orde van een miljoen keer) groter. Dat is de reden dat dekernwapenszoveel krachtiger zijn danconventionele wapens,waar scheikundige reacties de explosie veroorzaken. De ontploffing van éénwaterstofbomkan een hoeveelheid energie vrijmaken gelijk aan de ontploffing van tientallenmegaton TNT,een grotere energie dan allegeallieerdebommen van deTweede Wereldoorlogbij elkaar.

Omdat de inwendige energie die deeltjes bij elkaar houdt (bindingsenergie) volgens de beroemdemassa-energierelatie(E=mc²) bijdraagt aan de totalemassa,zijn de opgetelde massa's van de reactanten voor en na een reactie over het algemeen niet gelijk. De vrijgekomen energie wordt dan ook vaak gemeten als 'verdwenen' massa. Dit is ook het geval bij scheikundige reacties, maar omdat de energieën en dus de massaverschillen zoveel kleiner zijn, wordt dit effect daar meestal verwaarloosd. De energie komt vrij alskinetische energievan de reactieproducten (wat macroscopisch gezien een hogere temperatuur oplevert) of als foton (typischgammastralingofröntgenstraling).

Reactievergelijking

Net als bij een chemische reactie wordt een kernreactie wel beschreven door middel van eenreactievergelijking.Links staan de deelnemende deeltjes aangeduid met hunscheikundig symboolmet linksboven deatoommassa.Vaak wordt linksonder ook hetatoomnummervermeld, hoewel dat al bepaald is door het symbool. Betreft het eenradioactief vervalvan een kern, dan staat links alleen de betrokken kern en eventueel een opgenomen subatomair deeltje. Voor speciale deeltjes worden ook wel speciale symbolen gebruikt:

• foton,gammastraling:${\ce {\gamma \ }}$of${\ce {^0_0\gamma}}$
• elektron:${\ce {e}}$,${\ce {\ e^{-}}}$,${\ce {^0_{-1}e-}}$of${\ce {\ \beta ^{-}}}$
• positron:${\ce {e+}}$,${\ce {\ ^0_1e+}}$of${\ce {\ \beta ^{+}}}$
• proton:${\ce {^1H}}$,${\ce {\ ^1_1H}}$,${\ce {p\ }}$of${\ce {\ p+}}$
• antiproton:${\ce {{\bar {p}}\ }}$
• neutron:${\ce {n\ }}$of${\ce {\ ^1_0n\ }}$
• antineutron:${\ce {{\bar {n}}\ }}$
• deuterium:${\ce {^2H}}$,${\ce {\ ^2_1H\ }}$of${\ce {\ d}}$
• alfadeeltje:${\ce {^4He}}$,${\ce {\ ^4_2He\ }}$of${\ce {\ Alpha \ }}$
• anti-alfadeeltje:${\ce {^{4}_{2}{}{\overline {He}}{}^{2-}}}$
• neutrino:${\ce {\nu}}$

De uitgebreide notaties zoals${\ce {^0_0\gamma}}$,${\ce {^0_{-1}e-}}$,${\ce {\ ^0_1e^{+}}}$,${\ce {\ ^1_1H}}$,${\ce {\ ^1_0n\ }}$,${\ce {\ ^4_2He\ }}$tonen bij elk deeltje linksboven het aantal nucleonen en linksonder de lading.

Voorbeelden

• lithiumwordt beschoten met deuterium:

${\ce {^6Li + ^2H -> ^4He + ^4He}}$

of uitgebreider

${\ce {^6_3Li + ^2_1H -> ^4_2He + ^4_2He}}$

Eventueel verkort

${\ce {^6_3Li + ^2_1H -> 2^4_2He}}$

of met speciale symbolen:

${\ce {^6Li + d -> \ Alpha + \ Alpha }}$

• Alfavervalvanuranium-235totthorium-231:

${\ce {^{235}_{92}U -> ^{231}_{90}Th + ^4_2He}}$

Of korter met alfadeeltje (${\ce {\ Alpha }}$):

${\ce {^{235}_{92}U -> ^{231}_{90}Th + \ Alpha }}$

Verschillende soorten kernreacties

Alfaverval

Dooralfavervalgaat een atoomkern over in een lichtere kern onder uitzending van eenalfadeeltje(heliumkern). Voorbeeld:

${\ce {^{238}U -> ^{234}Th + \ Alpha }}$

Bètaverval

Bijbètavervalgaat een atoom over in een atoom met hetzelfde massagetal, maar met een andere lading, onder uitzending van eenelektronofpositronen een neutrino. Bijvoorbeeld:

${\ce {^{22}Na->{^{22}Ne}+{e+}+{\nu }_{e}}}$

Gammaverval

Gammaverval vindt eigenlijk alleen plaats alssecundair proces.Na alfa- of bètaverval of na het invangen van een deeltje (zie onder) bevindt de atoomkern zich veelal in eenaangeslagen toestand.Het overschot aan energie kan dan vrijkomen in de vorm vangammastraling,waarbij de kern niet van samenstelling verandert. In reacties wordt een kern in aangeslagen toestand doorgaans aangegeven met eenasterisk:

${\ce {^{60}Co->{^{60}Ni^{\ast }}+{e^{-}}+{\nu }_{e};\quad {^{60}Ni^{\ast }}->{^{60}Ni}+\gamma }}$

Kernsplijting

Kernsplijtingkan optreden wanneer een licht deeltje, zoals een neutron of een heliumkern (alfadeeltje), wordt ingevangen door een zware atoomkern, en deze zodanig instabiel wordt, dat ze in twee of meer delen uiteenvalt, veelal onder uitzending van neutronen. Bijvoorbeeld:

${\ce {{^{235}U}+n->{^{236}U}^{\ast }->{^{92}Kr}+{^{141}Ba}+3n\quad }}$(andere vervalproducten komen ook voor)

Kernfusie

Bijkernfusiereageren twee of meer lichte atoomkernen (mogelijk via een instabiele tussentoestand) tot een andere samenstelling, waarbij in ieder geval een zwaardere kern dan in de beginsituatie gevormd wordt. Een bekend voorbeeld is de reactie van deuterium en tritium tot helium en een neutron, zoals in de afbeelding bovenaan, volgens de vergelijking

${\ce {{^{2}H}+{^{3}H}->\ Alpha +n}}$

Neutronenvangst

Neutronenvangsthoudt in dat een atoomkern een extern neutron invangt, waardoor een al dan niet stabiele zwaardere isotoop van dat element ontstaat. Dergelijke reacties worden gebruikt om met behulp van de neutronen uit eenkernreactorzogehetenradionuclidente produceren voor medisch en industrieel gebruik.

Protonenvangst

Protonenvangsthoudt in dat een atoomkern een externprotoninvangt, waardoor een al dan niet stabiele zwaardere kern van een ander element ontstaat. Dergelijke reacties worden gebruikt om met behulp van bijvoorbeeld protonen uit eencyclotronzogehetenradionuclidente produceren voor medisch en industrieel gebruik.

Elektronenvangst

Bijelektronenvangstwordt een elektron uit een van de onderste elektronenschillen ingevangen in de atoomkern, waardoor een proton in een neutron verandert onder uitzending van een neutrino. Bijvoorbeeld:

${\ce {{^{83}Rb}+{e^{-}}->{^{83}Kr}+\nu _{e}}}$