תהליכים גרעיניים הם תהליכים המתרחשים בתוך גרעין האטום. החשובים בהם הם: התפרקויות רדיואקטיביות, ביקוע גרעיני ומיזוג (היתוך) גרעיני. לתהליכים הללו יש חשיבות רבה בתחומים שונים כגון תעשייה, רפואה והפקת אנרגיה.
כל גרעין הוא צבר של פרוטונים וניטרונים הצמודים זה לזה (פרט לגרעין המימן, שהוא פרוטון בודד). הפרוטונים והניטרונים מכונים בשם כולל: נוּקְלֵאוֹנִים. לפרוטון מטען חשמלי חיובי ואילו המטען של הניטרון הוא אפס. מטענים זהים דוחים כידוע זה את זה, ולכן הכוח החשמלי בין הפרוטונים הוא כוח דחייה. ואולם בנוסף לכוח החשמלי קיים בגרעין עוד כוח, הכוח החזק, שהוא כוח משיכה הפועל בין הנוקלאונים ומצמיד אותם זה לזה. הכוח החזק משפיע רק במרחקים קצרים מאד ואילו הכוח החשמלי משפיע גם במרחקים ארוכים יחסית.
יציבות הגרעין מותנית באיזון בין שני הכוחות הללו, שתלוי ביחס בין מספר הניטרונים והפרוטונים. באטומים הקלים הגרעין יציב כאשר מספר הפרוטונים והניטרונים שווה בקירוב. ככל שהגרעין כבד יותר צריכים להיות בו יותר ניטרונים כדי לשמור על יציבותו, ובאטומים שבסוף הטבלה המחזורית מספר הניטרונים הוא פי אחד וחצי ממספר הפרוטונים. גרעין שאינו יציב מתפרק במוקדם או במאוחר, באמצעות התפרקות רדיואקטיבית.
ידועים שלושה סוגים נפוצים של התפרקות רדיואקטיבית:
א. התפרקות אלפא: הגרעין פולט חלקיק (המכונה חלקיק אלפא) שמורכב משני פרוטונים ושני ניטרונים.
ב. התפרקות ביתא: ניטרון בגרעין הופך לפרוטון, תוך כדי פליטת אלקטרון וחלקיק בשם אנטי-ניטרינו שיוצאים מהגרעין. בגרעינים של איזוטופים מסוימים, במהלך התפרקות ביתא פרוטון הופך לניטרון תוך פליטת פוזיטרון (האנטי-חלקיק של האלקטרון) וניטרינו. (עוד אפשרות היא “לכידת אלקטרון” – אלקטרון במסלול פנימי באטום נבלע בפרוטון שבגרעין והופך אותו לניטרון תוך פליטת ניטרינו).
ג. התפרקות גמא: פליטת פוטון של קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל קצר מאד, מגרעין שעבר התפרקות אלפא או ביתא, ונותר עם עודף אנרגיה.
החלקיקים הנפלטים מהגרעין בהתפרקות רדיואקטיבית מכונים בשם קרינה רדיואקטיבית. מלבד התפרקויות אלפא, ביתא וגמא יש סוגים נוספים של רדיואקטיביות: יש גרעינים שפולטים ניטרונים ויש גרעינים כבדים המתבקעים באופן ספונטני לגרעינים קלים יותר. היסודות הרדיואקטיביים הראשונים שהתגלו היו אורניום (Z=92), תוֹריוּם (Z=90), פולוניום (Z=84) ורדיום (Z=88). אחר-כך התגלו יסודות רדיואקטיביים נוספים. נמצא כי תופעת הרדיואקטיביות אופיינית לכל היסודות בעלי מספר אטומי גבוה. למעשה, מעל Z=83 אין בכלל איזוטופים שאינם רדיואקטיביים.
על-ידי הקרנת יסודות שונים בקרינה רדיואקטיבית (או בחלקיקים שהואצו במאיציחלקיקים) אפשר ליצור איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים, שאינם מצויים בטבע. איזוטופים כאלה מיוצרים בכמויות גדולות בכורים גרעיניים, באמצעות הפגזה של חומרים שונים בניטרונים, ויש להם שימוש רב בתעשייה וברפואה. יש לציין כי למרות שהקרינה הרדיואקטיבית מסוכנת לגוף החי (כי היא עלולה לקרוע את מולקולות הדי.אן.איי בתאולהרוס אותו, או להפכו לתא סרטני) נעשה בה שימוש מבוקר ברפואה, למשל, לצורכי הדמיה וחיסול תאים סרטניים.
הסיבה להתפרקות רדיואקטיבית היא כאמור אי-יציבות הגרעין, הנובע מחוסר איזון בין מספר הפרוטונים והניטרונים בו. כאשר מספר הניטרונים גדול מדי הגרעין נוטה לעבור התפרקות ביתא, שבמהלכה ניטרון הופך לפרוטון. חוסר בניטרונים גורם, בדרך כלל, לגרעין לפלוט חלקיק אלפא ולהפוך לגרעין קל יותר, שבו נחוצים פחות ניטרונים לשמירת היציבות.
התפרקות רדיואקטיבית היא דוגמא לתהליך קוונטי-אקראי. אם יש בידנו כמות מסוימת של איזוטופ רדיואקטיבי, לא נוכל לנבא מתי גרעין מסוים יתפרק. ואולם נוכל לנבא בביטחון כי תוך זמן מסוים יתפרקו כמחצית מהגרעינים. פרק זמן זה מכונה “זמן מחצית החיים” של האיזוטופ.
ביקוע גרעיני ומיזוג גרעיני, כורים ופצצות גרעין
כדי להפריד את הגרעין לנוקלאונים שמהם הוא מורכב יש להשקיע אנרגיה, שמכונה אנרגיית הקשר של הגרעין. בגלל הבדלים בין אנרגיית הקשר של גרעינים כבדים לגרעינים של יסודות מאמצע הטבלה המחזורית, ביקוע של גרעין כבד, כגון אורניום (Z=92), לשני גרעינים קלים יותר, משחרר אנרגיה של כמיליון אלקטרון-וולט (1 מא”ו) לכל נוקלאון, כלומר כ-200 מא”ו לגרעין כולו. אנרגיה זו גבוהה פי מיליון מהאנרגיה המשתחררת בתהליכים כימיים, כגון בעירה של דלק.
פצצת האטום עושה שימוש באנרגיה המשתחררת בעת ביקוע של גרעינים כבדים. היא מבוססת על “תגובת שרשרת” שבה כל ביקוע מחולל כמה ביקועים נוספים. גם כורים גרעיניים להפקת חשמל מבוססים על ביקוע הגרעין, ואולם בהם תהליכי הביקוע נעשים בצורה מבוקרת ואיטית.
גם מיזוג של שני גרעינים קלים מאד (למשל, מיזוג שני גרעיני דאוטריום לגרעין אחד של הליום-4) הוא תהליך המשחרר אנרגיה רבה. פצצת המימן מבוססת על מיזוג של גרעינים קלים, וגם האנרגיה השופעת מהשמש, ומכוכבים אחרים, נובעת מתהליכי מיזוג (של גרעיני מימן להליום). פיתוח כור להפקת אנרגיה, שיתבסס על מיזוג גרעיני, הוא משאת נפש אשר עדיין לא מומשה.
לעיון וקריאה נוספת באינטרנט: