§ 8.7. Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность

Определения и обозначения

Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с другими ядрами или частицами. В записи ядро обозначают символом химического элемента, например ᴬX, где A — массовое число, а Z — зарядовое число. Это определение помогает отличать изменения ядра от химических превращений атомов.

Уравнение ядерной реакции — краткая запись превращения ядер и частиц с указанием их символов, массовых и зарядовых чисел. Слева записывают исходных участников, справа — продукты. Такое уравнение позволяет проверять сохранение нуклонов и электрического заряда, а также находить неизвестный участник.

Искусственная радиоактивность — радиоактивность ядер, полученных в результате ядерной реакции. Слово «искусственная» означает, что нестабильное ядро было создано при облучении, а не возникло в результате естественного радиоактивного процесса. Понятие нужно, чтобы описывать радиоактивность полученных изотопов.

Радиоактивный продукт реакции — нестабильное ядро, образовавшееся в реакции и затем самопроизвольно распадающееся. Сама реакция создаёт это ядро, а его дальнейший распад является отдельным процессом. Такое различие помогает правильно описать последовательность событий.

Как это устроено

В уравнении реакции слева указывают исходное ядро и частицу-снаряд, то есть частицу, направленную на ядро, а справа — возникшие ядра и вылетевшие частицы. Например, в записи ⁹Be + ⁴He → ¹²C + ¹n бериллий взаимодействует с ядром гелия. Неизвестный участник не угадывают по названию элемента: его определяют из законов сохранения. Поэтому запись одновременно показывает ход превращения и позволяет проверить его согласованность.

Сумма массовых чисел слева должна равняться сумме массовых чисел справа: массовое число считает все протоны и нейтроны, участвующие в реакции. Также равны суммы зарядовых чисел, поскольку электрический заряд не исчезает и не возникает. Если не соблюдается первое равенство, неверно учтено число нуклонов; если второе — нарушен баланс заряда. Эти два условия служат проверкой уравнения и способом найти неизвестное ядро или частицу.

Налетающая частица вызывает превращение, если подлетает достаточно близко к ядру и взаимодействует с ним. Тогда ядро может захватить частицу или обменяться с ней нуклонами, изменив свой состав. Образовавшееся ядро часто оказывается возбуждённым, то есть получает избыток энергии, поэтому может испустить частицу. Именно взаимодействие, а не последующий распад, является началом ядерной реакции.

После реакции одно из полученных ядер может быть нестабильным. Тогда оно самопроизвольно распадается и превращается в другое ядро, испуская частицы или излучение. Если нестабильное ядро было создано ядерной реакцией, его радиоактивность называют искусственной. Таким образом, сначала происходит вызванное взаимодействие, а распад продукта следует за ним и не требует новой частицы-снаряда.

При реакции энергия может выделяться или поглощаться, потому что масса исходных частиц и масса продуктов могут быть неодинаковы. Разность масс связана с изменением энергии соотношением ΔE = Δm c², где c — скорость света. Если энергия конечных продуктов ниже энергии исходных участников, избыток может выделиться; для реакции с затратой энергии её нужно передать системе. Поэтому баланс реакции учитывает не только превращение ядер, но и изменение энергии.

Ядерная реакция и возникновение искусственной радиоактивности

Сравнивайте сначала условие возникновения: оно показывает, вызвано ли превращение столкновением или происходит самопроизвольно. Затем проследите, что образовалось и есть ли у продукта дальнейший распад. Так можно не смешивать реакцию и радиоактивность её нестабильного продукта.

Разбор задач

1. Найти частицу в реакции ⁹Be + ⁴He → ¹²C + ?

Известны исходные ядра бериллия и гелия, а среди продуктов — ядро углерода. Нужно определить массовое и зарядовое числа второй частицы, соблюдая оба закона сохранения. Если заряды уравняются, но массовые числа нет, ответ будет неверным.

1. Сложим массовые числа слева: 9 + 4 = 13. У ядра углерода массовое число 12, значит, у неизвестной частицы A = 13 − 12 = 1.
2. Сложим зарядовые числа слева: 4 + 2 = 6. У углерода Z = 6, поэтому у неизвестной частицы Z = 6 − 6 = 0.
3. Частица с A = 1 и Z = 0 — нейтрон, обозначаемый ¹n. Проверим: справа массовые числа дают 12 + 1 = 13, а зарядовые — 6 + 0 = 6.

Ответ: недостающая частица — нейтрон; реакция записывается ⁹Be + ⁴He → ¹²C + ¹n. Проверка обоих чисел подтверждает, что превращение записано согласованно.

2. Облучение ²⁷Al альфа-частицами даёт ³⁰P и неизвестную частицу

Альфа-частица — ядро гелия ⁴He с массовым числом 4 и зарядовым числом 2. В продуктах указаны фосфор-30 и ещё одна частица. Найдём её характеристики независимо по массовому и зарядовому балансам.

1. Запишем схему: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ? Массовые числа слева дают 27 + 4 = 31, поэтому у неизвестного участника A = 31 − 30 = 1.
2. Зарядовое число алюминия равно 13, гелия — 2, фосфора — 15. Слева получается 13 + 2 = 15, поэтому заряд неизвестной частицы должен быть Z = 15 − 15 = 0.
3. Частица с массовым числом 1 и зарядовым числом 0 — нейтрон. Подставим его в схему и проверим: массовые числа равны 31, зарядовые числа — 15.

Ответ: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n. Два независимых баланса указывают на нейтрон, а значит, одного подсчёта массовых чисел для решения было бы недостаточно.

3. Записать реакцию и распад ³⁰P

Алюминий-27 облучают альфа-частицами; продукты реакции — фосфор-30 и нейтрон. Затем фосфор-30 распадается с испусканием позитрона. Сначала запишем реакцию, а распад рассмотрим отдельно, поскольку его причиной уже не является налетающая альфа-частица.

1. Составим реакцию: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n. Проверка массовых чисел: 27 + 4 = 30 + 1 = 31; проверка зарядовых: 13 + 2 = 15 + 0 = 15.
2. Для бета-плюс-распада запишем ³⁰P → ³⁰Si + e⁺ + νₑ. Позитрон имеет массовое число 0 и зарядовое число +1, поэтому зарядовое число ядра уменьшается с 15 до 14, а массовое число остаётся 30.
3. Проверим числа распада: слева A = 30 и Z = 15, справа A = 30 + 0 + 0, Z = 14 + 1 + 0. Массовые и зарядовые числа сохранены.

Ответ: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n; ³⁰P → ³⁰Si + e⁺ + νₑ. Вторая запись описывает уже распад радиоактивного продукта, а не продолжение столкновения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при реакции сохраняется число ядер каждого химического элемента. Так думают, перенося на ядерные превращения правила химических реакций, но состав ядра может измениться и один элемент может превратиться в другой. Проверяйте не число атомов каждого элемента, а суммы массовых и зарядовых чисел по обе стороны уравнения.

Ошибка — уравнять массовые числа и забыть зарядовые. Это часто происходит, когда неизвестную частицу находят только по числу нуклонов, но при этом электрический заряд может оказаться нарушенным. Всегда делайте две отдельные проверки: складывайте A и Z, а не только массовые числа.

Ошибка — путать ядерную реакцию с радиоактивным распадом. Их объединяют тем, что оба процесса меняют ядро, однако реакция начинается при взаимодействии частиц, а распад нестабильного ядра самопроизволен. Чтобы проверить себя, выясните, требуется ли в описании налетающая частица или ядро распадается уже после образования.

Ошибка — считать радиоактивным любой продукт реакции. Можно поспешно связать слово «ядерный» с радиоактивностью, хотя продукт может оказаться стабильным. Проверяйте, сказано ли о его нестабильности или последующем распаде: только нестабильный продукт создаёт искусственную радиоактивность.

Связь с другими темами

Для чтения уравнений нужны обозначения ядер, массовое и зарядовое числа, а также состав ядра из протонов и нейтронов. Знание радиоактивного распада и сохранения электрического заряда позволяет описывать дальнейшее превращение нестабильных продуктов. Эти идеи применяются при изучении деления и синтеза ядер, ядерной энергетики и получения радиоактивных изотопов.

Что запомнить

• Ядерная реакция изменяет состав атомного ядра.
• В уравнении реакции сохраняются суммы массовых чисел и суммы зарядовых чисел.
• Неизвестное ядро или частицу можно определить по этим законам сохранения.
• Ядерная реакция может сопровождаться выделением или поглощением энергии.
• Искусственная радиоактивность возникает, когда реакция создаёт нестабильное ядро.
• Образовавшееся радиоактивное ядро распадается уже после реакции.