กระบวนการส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในธรรมชาติเกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมของธาตุและการถ่ายโอนอิเล็กตรอน เคมีนิวเคลียร์มุ่งเน้นไปที่นิวเคลียสของอะตอม ตรวจสอบคุณสมบัติและการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการแตกตัว เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาอื่นๆ ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะนำไปสู่การก่อตัวของสารเคมีชนิดใหม่ นอกจากนี้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ยังนำมาซึ่งการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก ซึ่งสูงกว่าปฏิกิริยาเคมีทั่วไปหลายแสนเท่า

ความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอม

อะตอมเป็นหน่วยพื้นฐาน แต่ไม่ใช่หน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร แต่ละคนประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนที่หมุนเวียนอยู่รอบๆ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนที่เป็นบวกและนิวตรอนที่เป็นกลาง อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนต่างกันเรียกว่า ไอโซโทป ส่วนใหญ่มีความเสถียรตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าจะไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีแม้เวลาผ่านไปนาน อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปบางชนิดไม่เสถียรและสลายตัวได้ง่าย ซึ่งรวมถึงเบต้าบวก เบตาลบ หรืออัลฟ่า เพื่อให้ไอโซโทปเสถียรได้ นิวเคลียสของอะตอมควรมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเท่ากัน นิวเคลียสที่หนักกว่า (เช่น เลขอะตอมยิ่งสูง) ความแตกต่างระหว่างปริมาณของนิวเคลียสก็ยิ่งมีความถี่มากขึ้น ผลจากสัดส่วนที่ไม่เท่ากันนี้ ทำให้นิวเคลียสของอะตอมมีความไวต่อการแตกตัวของสารกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่ามาก ไอโซโทปที่มีอยู่ตามธรรมชาติที่หนักที่สุดและเสถียรคือ ¹⁰⁹ Bi

ทั้งจำนวนนิวตรอนที่มากเกินไปในนิวเคลียสและการขาดแคลนที่เกี่ยวข้องกับจำนวนโปรตอนทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ (หรือชุดของปฏิกิริยา) ซึ่งในที่สุดก็สร้างนิวเคลียสอะตอมที่เสถียร นอกจากนี้ ความเสถียรของนิวเคลียสยังได้รับผลกระทบจากแรงนิวเคลียร์ ซึ่งควรจะสูงกว่าแรงอันตรกิริยาของไฟฟ้าสถิต (สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้โดยจำนวนนิวตรอนที่เหมาะสมในนิวเคลียสเมื่อเทียบกับจำนวนโปรตอน) และมวลของนิวเคลียส ( มวลยิ่งมาก นิวเคลียสยิ่งเสถียรน้อยลง)

เคมีนิวเคลียร์มีจุดสนใจมากที่สุดอยู่ที่ไอโซโทปที่นิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียรและสลายตัวได้ง่าย องค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบด้วยไอโซโทปดังกล่าวเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี

กัมมันตภาพรังสีของธาตุเคมี

กัมมันตภาพรังสีขององค์ประกอบทางเคมีเป็นผลมาจากการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมที่ไม่เสถียร นี่คือสิ่งที่เราควรรู้เกี่ยวกับมัน:

• เราแยกแยะกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติและประดิษฐ์ขององค์ประกอบทางเคมี กัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติคือการที่สารนั้นปล่อยรังสีออกมาเอง กัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์คือการที่สารบางอย่างไม่มีกัมมันตภาพรังสี แต่ปล่อยรังสีเมื่อสัมผัสกับรังสีธรรมชาติที่มาจากสารกัมมันตภาพรังสี
• ปฏิกิริยาทางธรรมชาติแบ่งออกเป็นอัลฟา เบตา และแกมมา ปฏิกิริยาประดิษฐ์ ได้แก่ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ นิวเคลียร์ฟิวชัน และนิวเคลียร์ฟิชชั่น
• การแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมจะปล่อยรังสีที่เรียกว่าไอออไนซ์หรือรังสีนิวเคลียร์ ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีอาจปล่อยรังสีออกมา 3 ชนิด ได้แก่ แอลฟา เบตา และแกมมา
• อนุภาคแอลฟาเป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคบีตา (ซึ่งเบากว่าอนุภาคแอลฟามาก) รังสีแกมมาไม่ใช่อนุภาค แต่เป็นของตระกูลคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่สร้างนิวเคลียสใหม่หลังจากการแตกตัว สิ่งเหล่านี้ยังไม่เสถียรและมีการสลายตัวเพิ่มเติม นี่คือลักษณะที่เรียกว่าชุดกัมมันตภาพรังสี
• กัมมันตภาพรังสีของสารเคมีบางชนิดขึ้นอยู่กับปริมาณเป็นหลัก มันลดลงตามเวลาเมื่อปริมาณลดลง ปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อความเร็วของปฏิกิริยานิวเคลียร์ ได้แก่ อุณหภูมิและความดัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์และเทอร์โมนิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์จำนวนมากของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ในเปลือกโลกเกิดขึ้นตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาบางอย่างสามารถทำได้ใน ห้องปฏิบัติการเคมี ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นครั้งแรกโดยมนุษย์ในปี 1919 ดำเนินการโดย Ernest Rutherford ปัจจุบัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากมนุษย์มีจำนวนสูงมาก ปริมาณของไอโซโทปเทียมที่ผลิตขึ้นมีมากกว่าไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างมาก

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งอยู่ในประเด็นที่วิเคราะห์โดยเคมีนิวเคลียร์ เกิดขึ้นจากการระดมยิงนิวเคลียสของอะตอมด้วยอนุภาคเฉพาะ อาจเป็นนิวตรอน โปรตอน อนุภาคแอลฟา หรือแม้แต่นิวเคลียสของคาร์บอน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับชนิดของโมเลกุลที่ยิงออกไปและพลังงานของมัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์นำไปสู่การดูดกลืน (ด้วยการปล่อยอนุภาคมูลฐานหนึ่งหรือสองอนุภาค) ของโมเลกุลระเบิดที่ปล่อยออกมาโดยนิวเคลียสของอะตอมหรือทำลายนิวเคลียสนั้น กรณีเดิมเกิดขึ้นเมื่อพลังงานของ "กระสุน" ต่ำ (น้อยกว่าหนึ่งร้อย MeV) การปะทุของนิวเคลียร์เกิดขึ้นที่พลังงานสูงถึงหลายร้อย MeV ปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างง่ายจำนวนมากเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของอนุภาคแอลฟา ซึ่งถูกปล่อยออกมาจากธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมสามารถกระตุ้นได้ง่ายด้วยการใช้นิวตรอน เนื่องจากประจุของพวกมันเป็นกลาง จึงเข้าถึงนิวเคลียสได้ง่ายเนื่องจากไม่ไวต่อแรงผลักของไฟฟ้าสถิต ลักษณะสำคัญของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดคือการที่พวกมันดำเนินไปพร้อมกับการดูดกลืนหรือคายพลังงานจำนวนมาก

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ เกิดขึ้นในสภาวะที่แตกต่างกันบ้าง เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมากตั้งแต่ 10 ⁷ ถึง 10 ⁸ K (มักจะเกิดขึ้นเองในอุณหภูมิดังกล่าวเท่านั้น) อุณหภูมิที่ทำให้เกิดการสังเคราะห์ฮีเลียมตามธรรมชาติจากไฮโดรเจน มีอยู่ในดาวฤกษ์และทำให้พวกมันปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ นิวเคลียสที่เล็กที่สุด (เช่น ของไฮโดรเจนหรือดิวเทอเรียม) จะรวมกันเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้น นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการสังเคราะห์เทอร์โมนิวเคลียร์ของฮีเลียม ปฏิกิริยานี้ก่อให้เกิดพลังงานจำนวนมาก มีขนาดใหญ่กว่าการระเบิดของระเบิดยูเรเนียมหรือระเบิดพลูโตเนียมมาก อย่างไรก็ตาม กระบวนการทั้งหมดไม่ได้รับการควบคุม เป็นที่คาดกันว่าการได้มาซึ่งพลังงานในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมอย่างเต็มที่จะเป็นไปได้เมื่อเอาชนะปัญหาทางเทคนิคได้

การประยุกต์ใช้การแผ่รังสีของนิวเคลียสของอะตอมมีอะไรบ้าง?

• การถ่ายภาพเนื้อเยื่อและอวัยวะ
• การรักษาโรคเนื้องอก;
• การวินิจฉัยทางการแพทย์
• การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิจัยและในอุตสาหกรรม
• การผลิตไฟฟ้าในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
• การฆ่าเชื้ออุปกรณ์ทางการแพทย์