Ядерные реакции

Определение

Ядерные реакции — это процессы превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с другими ядрами или элементарными частицами, в результате которых изменяется состав или энергетическое состояние ядра.

Формула

ΔE = Δm·c²

• ΔE — изменение энергии (выделившаяся или поглощенная энергия реакции)
• Δm — изменение массы (дефект массы) системы до и после реакции
• c — скорость света в вакууме (примерно 3·10⁸ м/с)

Единицы измерения: джоуль (Дж) для энергии, килограмм (кг) для массы

Как происходят ядерные реакции

Ядерная реакция начинается, когда ядро-мишень сталкивается с другой частицей — это может быть нейтрон, протон, альфа-частица или другое ядро. При сближении на очень малые расстояния между ними начинают действовать сильные ядерные силы, которые намного мощнее электростатического отталкивания одноименно заряженных ядер. Если частица обладает достаточной энергией, она преодолевает отталкивание и проникает в ядро, вызывая его перестройку. В результате образуются новые ядра или другие частицы, а исходное ядро изменяется.

Сохранение законов в ядерных реакциях

Несмотря на глубокие изменения, происходящие с ядрами, в ядерных реакциях всегда соблюдаются фундаментальные законы сохранения. Сохраняется полная энергия системы (включая энергию покоя частиц), импульс, момент импульса, электрический заряд и барионное число (количество нуклонов — протонов и нейтронов). Эти законы позволяют предсказывать продукты реакции и рассчитывать выделившуюся или поглощенную энергию, которая связана с изменением массы системы по формуле Эйнштейна E=mc².

Деление и синтез ядер

Ядерные реакции делятся на два основных типа: реакции деления и реакции синтеза (слияния). Реакции деления происходят, когда тяжелое ядро (например, уран) распадается на два или более легких ядра, выделяя при этом нейтроны и огромное количество энергии. Это используется в атомных электростанциях и ядерном оружии. Реакции синтеза — это объединение легких ядер (например, водорода) в более тяжелое ядро, также с выделением энергии. Этот процесс лежит в основе свечения Солнца и других звезд, а также термоядерного оружия.

Как найти и применять

1. Запишите исходные частицы и ядра до реакции (левая часть уравнения).
2. Запишите предполагаемые или известные продукты реакции (правая часть уравнения).
3. Убедитесь, что сумма зарядовых чисел (число протонов, нижний индекс) слева равна сумме справа.
4. Убедитесь, что сумма массовых чисел (общее число нуклонов, верхний индекс) слева равна сумме справа.
5. Если неизвестна какая-либо частица или ядро, определите ее зарядовое и массовое число, исходя из законов сохранения.

Разбор задач

Задача 1

Напишите уравнение реакции деления ядра урана-235 (²³⁵U), бомбардируемого нейтроном (¹n), если в результате образуются ядро бария-141 (¹⁴¹Ba), ядро криптона-92 (⁹²Kr) и несколько нейтронов.

1. Запишем известные частицы: ²³⁵U + ¹n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + x·¹n (где x — количество нейтронов). 2. Проверим сохранение зарядового числа: 92 (для U) + 0 (для n) = 56 (для Ba) + 36 (для Kr) + x·0 (для n). 92 = 92. Зарядовое число сохраняется. 3. Проверим сохранение массового числа: 235 (для U) + 1 (для n) = 141 (для Ba) + 92 (для Kr) + x·1 (для n). 236 = 233 + x. x = 236 - 233 = 3. 4. Таким образом, образуется 3 нейтрона.

Ответ: ²³⁵U + ¹n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3¹n

Где это встречается

• Атомные электростанции (АЭС) — Используется управляемая цепная реакция деления ядер урана или плутония для получения тепловой энергии, которая затем преобразуется в электричество.
• Ядерное оружие — В основе действия лежит неуправляемая цепная реакция деления (атомная бомба) или реакция термоядерного синтеза (водородная бомба), высвобождающая огромную разрушительную энергию.
• Медицина (радиотерапия и диагностика) — Ядерные реакции используются для получения радиоизотопов, которые применяются в ПЭТ-сканировании для диагностики заболеваний или в лучевой терапии для разрушения раковых клеток.
• Астрофизика — Реакции термоядерного синтеза водорода в гелий, а затем более тяжелых элементов, являются основным источником энергии звезд, включая наше Солнце, и ответственны за образование всех химических элементов во Вселенной.

Типичные ошибки

Не путать

• Радиоактивный распад — Радиоактивный распад — это самопроизвольное превращение неустойчивого ядра, не требующее внешнего воздействия. Ядерная реакция — это превращение ядра, вызванное его взаимодействием с другой частицей.
• Химическая реакция — Химическая реакция затрагивает только электронные оболочки атомов, ядра остаются неизменными. Ядерная реакция изменяет состав или структуру атомных ядер, приводя к образованию новых элементов или изотопов.

Откуда взялось понятие

Понятие ядерных реакций возникло после открытия искусственной трансмутации элементов Эрнестом Резерфордом в 1919 году, когда он превратил азот в кислород, бомбардируя его альфа-частицами.

Как запомнить

Ядерные реакции — это перестройка атомных ядер, выделяющая огромную энергию.