Phản ứng hạt nhân là quá trình xảy ra trong lõi nguyên tử, nơi các hạt nhân tương tác với nhau hay phân rã để tạo thành hạt nhân mới. Khác với phản ứng hóa học chỉ liên quan đến electron với vỏ nguyên tử, phản ứng hạt nhân tác động đến thành phần cấu tạo sâu bên trong nguyên tử là proton với neutron. Dù là quá trình phức tạp giàu năng lượng nhưng phản ứng hạt nhân vẫn tuân thủ nghiêm ngặt một số định luật bảo toàn cơ bản. Các định luật này không chỉ giúp ta dự đoán sản phẩm sau phản ứng còn là cơ sở để hiểu và khai thác năng lượng hạt nhân trong thực tế.
Phản ứng hạt nhân là gì
Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một hạt nhân nguyên tử bị thay đổi do tác động từ bên ngoài hoặc tự phát. Quá trình này có thể là phân hạch tức là một hạt nhân lớn bị vỡ ra thành các hạt nhân nhỏ hơn là tổng hợp khi hai hạt nhân nhỏ kết hợp thành một hạt nhân lớn. Ngoài ra còn có phản ứng phân rã phóng xạ khi một hạt nhân không bền tự chuyển hóa thành hạt nhân khác ổn định hơn.
Bất kể loại phản ứng nào, nếu được mô tả đầy đủ ta đều thấy các định luật bảo toàn luôn được thỏa mãn, đặc biệt là bảo toàn số khối, điện tích, năng lượng, động lượng, một số đại lượng lượng tử khác.
Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
Trong mọi phản ứng hạt nhân có một số định luật bảo toàn luôn phải được tuân thủ để đảm bảo tính chính xác phù hợp với thực tế vật lý. Những định luật đó gồm có
Thứ nhất là định luật bảo toàn số khối. Số khối là tổng số proton và neutron trong hạt nhân. Trong một phản ứng hạt nhân tổng số khối của các hạt nhân với hạt tham gia trước phản ứng phải bằng tổng số khối của các hạt sản phẩm sau phản ứng. Điều này đảm bảo rằng không có hạt nucleon nào bị mất đi hoặc tự sinh ra.
Thứ hai là định luật bảo toàn điện tích. Tổng điện tích tức tổng số proton được giữ nguyên trước sau phản ứng. Đây là yêu cầu cơ bản để đảm bảo sự bảo toàn của điện tích trong mọi quá trình vật lý. Dù có phát ra các hạt mang điện như electron hay positron, tổng điện tích của hệ vẫn không đổi.
Thứ ba là định luật bảo toàn động lượng. Trong mọi phản ứng kể cả ở cấp độ hạt nhân thì tổng động lượng của hệ được bảo toàn. Có nghĩa là nếu biết hướng và độ lớn của các hạt tham gia ta có thể tính được động lượng của các sản phẩm sau phản ứng.
Thứ tư là định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng trong phản ứng hạt nhân thường rất lớn chủ yếu do khối lượng được chuyển hóa thành năng lượng theo công thức của thuyết tương đối. Tuy nhiên tổng năng lượng bao gồm năng lượng nghỉ, động năng của tất cả các hạt vẫn được bảo toàn. Sự chênh lệch khối lượng trước và sau phản ứng được chuyển hóa thành năng lượng giải phóng gọi là năng lượng liên kết.
Thứ năm là định luật bảo toàn số nucleon. Trong phản ứng tổng số hạt nucleon tức là tổng số proton với neutron trong hệ được giữ nguyên. Đây là một biểu hiện cụ thể hơn của bảo toàn số khối.
Thứ sáu là định luật bảo toàn số lepton. Đối với các phản ứng có liên quan đến neutrino hoặc electron, số lepton cũng được bảo toàn. Mỗi lepton như electron, neutrino có giá trị bảo toàn riêng phải được cân bằng trước và sau phản ứng.
Ứng dụng thực tế của các định luật bảo toàn
Việc nắm vững các định luật bảo toàn giúp các nhà vật lý hạt nhân xây dựng và giải thích các phản ứng phức tạp từ các phản ứng tổng hợp trong mặt trời đến quá trình phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân. Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật
Trong ngành năng lượng hạt nhân, định luật bảo toàn số khối cùng điện tích giúp xác định chính xác các sản phẩm phân hạch và tính toán lượng năng lượng sinh ra. Nhờ vậy ta có thể kiểm soát hiệu quả các phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân dân dụng hay quân sự.
Trong y học, các phương pháp chẩn đoán hình ảnh như PET sử dụng phản ứng hạt nhân để phát hiện sự phân bố chất phóng xạ trong cơ thể. Các định luật bảo toàn giúp xác định chính xác loại hạt sinh ra và năng lượng phát xạ để thiết kế thiết bị phù hợp.
Trong thiên văn học, các phản ứng tổng hợp hạt nhân là nguyên nhân tạo ra năng lượng của các vì sao. Việc mô phỏng các phản ứng này đòi hỏi phải tuân thủ chặt chẽ các định luật bảo toàn để mô tả đúng cách mà các nguyên tố được hình thành trong vũ trụ.
Trong vật lý hạt cơ bản, việc khám phá các hạt mới hay kiểm nghiệm các lý thuyết lớn đều cần kiểm tra xem chúng có tuân theo các định luật bảo toàn đã biết hay không. Nhiều khám phá quan trọng như neutrino hay quark đều được xác nhận qua các phản ứng hạt nhân thỏa mãn định luật bảo toàn.
Một ví dụ minh họa đơn giản
Xét một phản ứng phân hạch của hạt nhân uranium khi bị bắn phá bởi một neutron chậm. Sau khi hấp thụ neutron, hạt nhân uranium trở nên không ổn định vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn cùng với vài neutron tự do. Đồng thời một lượng lớn năng lượng được giải phóng.
Khi kiểm tra phản ứng này, ta thấy tổng số khối trước phản ứng bao gồm uranium với neutron ban đầu bằng tổng số khối của các sản phẩm. Điện tích trước và sau phản ứng cũng được cân bằng hoàn toàn. Ngoài ra động lượng của các sản phẩm đi ra theo nhiều hướng khác nhau nhưng tổng động lượng vẫn được bảo toàn.
Các định luật bảo toàn là nền tảng vững chắc để phân tích mọi phản ứng hạt nhân từ những phản ứng đơn giản trong phòng thí nghiệm đến các hiện tượng vũ trụ quy mô lớn. Dù bản chất phản ứng có thể phức tạp nhưng tính bất biến của các đại lượng như số khối, điện tích, năng lượng với động lượng cho phép các nhà khoa học hiểu sâu hơn về thế giới vi mô từ đó khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tiềm ẩn trong hạt nhân.
Việc tuân thủ các định luật bảo toàn cũng giúp đảm bảo an toàn trong ứng dụng công nghệ hạt nhân nhằm tối ưu hóa hiệu suất trong kỹ thuật mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong vật lý cơ bản. Có thể nói chính nhờ những quy tắc bảo toàn chặt chẽ này mà con người có thể làm chủ một trong những nguồn năng lượng mạnh mẽ lại nguy hiểm nhất từng được biết đến.