"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, а его свойства описывают зарядовое и массовое числа. Эти обозначения помогают определить состав ядра и проследить, как он меняется при радиоактивном распаде и ядерных реакциях. Чтобы понять происхождение энергии таких процессов, нужно связать массу ядра с энергией связи. Главные правила темы — различать массовое число и реальную массу, учитывать изменения зарядового числа и проверять сохранение заряда и числа нуклонов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, из которых состоит атомное ядро. Массовое число A равно общему числу нуклонов в ядре: протонов и нейтронов вместе. Это число помогает описать состав ядра и отслеживать его изменения при превращениях.
Изотоп — разновидность атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, изотопы углерода имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Понятие изотопов позволяет различать ядра одного элемента и объяснять, почему их массы могут отличаться.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием частиц и излучения. При таком превращении исходное ядро может стать ядром другого элемента или перейти в состояние с меньшей энергией. Это понятие нужно, чтобы описывать естественные ядерные превращения и их последствия.
Энергия связи ядра — энергия, необходимая для разделения ядра на составляющие его нуклоны. Столько же энергии выделяется, когда свободные нуклоны образуют связанное ядро. Энергия связи показывает, насколько прочно удерживаются частицы внутри ядра.
Ядро записывают символом элемента с зарядовым числом Z и массовым числом A: Z показывает число протонов, а A — число всех нуклонов. Поэтому число нейтронов можно найти вычитанием: N = A − Z. Например, у урана Z = 92, и такая запись сразу позволяет посчитать состав его ядра без подсчёта частиц по рисунку.
Масса ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, из которых оно состоит. При образовании ядра часть энергии уходит на его связывание, а масса системы уменьшается на соответствующую величину — дефект массы Δm. Связь выражается формулой E = Δmc²: чем больше дефект массы, тем больше энергия, которую нужно сообщить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны.
При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу — ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. Поэтому у исходного ядра A уменьшается на 4, а Z — на 2; уменьшение Z означает переход к другому химическому элементу. При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон и испускает электрон, так что число нуклонов A сохраняется, а Z возрастает на 1.
Уравнение ядерной реакции можно проверить по двум независимым балансам. Сумма зарядовых чисел слева должна равняться сумме справа, потому что электрический заряд сохраняется; то же требование относится к сумме массовых чисел, то есть к числу нуклонов. Если неизвестна частица или ядро, эти два равенства помогают определить её зарядовое и массовое числа.
Энергия может выделяться, когда продукты реакции оказываются связанными сильнее, чем исходные ядра. При делении тяжёлое ядро распадается на более лёгкие фрагменты, а при слиянии лёгкие ядра объединяются; в подходящих случаях оба процесса ведут к увеличению энергии связи на один нуклон. Разность массы исходных частиц и продуктов превращается в энергию, которую уносят осколки и излучение.
В таблице указаны изменения, относящиеся к ядру или его составу. Для деления и слияния конкретные изменения зависят от участвующих ядер, поэтому для них нет одного универсального шага чисел. Проверяй, что числа относятся к остаточному ядру, а не к частице или ядру, которое испускается.
| Процесс | Что происходит с ядром | Изменение зарядового числа | Изменение массового числа |
|---|---|---|---|
| Альфа-распад | Испускается ядро гелия ⁴₂He | Уменьшается на 2 | Уменьшается на 4 |
| Бета-распад | При β⁻ нейтрон превращается в протон и испускается электрон | Увеличивается на 1 при β⁻ | Не меняется |
| Гамма-излучение | Ядро испускает фотон и переходит в состояние с меньшей энергией | Не меняется | Не меняется |
| Деление ядра | Тяжёлое ядро распадается на более лёгкие ядра и частицы | Распределяется между продуктами; сумма сохраняется | Распределяется между продуктами; сумма сохраняется |
| Слияние ядер | Несколько лёгких ядер образуют более тяжёлое ядро | Для реакции определяется составом продуктов; сумма сохраняется | Для реакции определяется составом продуктов; сумма сохраняется |
Задача 1. Для ядра урана-238 определить число протонов и нейтронов. Сначала нужно узнать, что означает индекс элемента, а что — число после названия изотопа. Затем вычислить недостающую часть общего числа нуклонов.
Ответ: 92 протона и 146 нейтронов. Проверка: 92 + 146 = 238, то есть найденные частицы дают указанное массовое число.
Задача 2. Записать, каким ядром станет радий-226 после альфа-распада. Альфа-частица уносит два протона и два нейтрона, поэтому уменьшаются оба числа, но на разные величины. Зарядовое число радия равно 88.
Ответ: после альфа-распада образуется ядро радона-222. Проверка по уравнению: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He; массовые числа дают 226 = 222 + 4, а зарядовые — 88 = 86 + 2.
Задача 3. В реакции ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + X определить неизвестную частицу. Не следует угадывать её по названию реакции: сначала найдём, сколько заряда и нуклонов осталось на X. Для этого составим отдельные равенства для массовых и зарядовых чисел.
Ответ: X — протон. Оба баланса выполняются: слева и справа сумма массовых чисел равна 18, а сумма зарядовых чисел — 9.
Для понимания ядерных превращений сначала нужны знания о составе атома, строении ядра и сохранении электрического заряда. Идея энергии и массы из механики помогает объяснить дефект массы: изменение массы связано с изменением энергии системы. На этой основе изучают, как энергия выделяется в ядерных процессах. Знание состава и превращений ядер применяется при обсуждении ядерной энергетики, радиационной безопасности и использования радиоизотопов.
Чем массовое число отличается от массы ядра?
Массовое число A — целое число протонов и нейтронов в ядре, а не его масса в килограммах или атомных единицах массы. Реальная масса ядра меньше суммы масс свободных нуклонов из-за энергии связи.
Как определить число нейтронов в ядре?
Вычти зарядовое число Z из массового числа A: N = A − Z. Например, в ядре ²³⁸₉₂U нейтронов 238 − 92 = 146.
Почему при альфа-распаде меняется химический элемент?
При альфа-распаде ядро испускает частицу с двумя протонами и двумя нейтронами. Число протонов уменьшается на два, а именно оно определяет химический элемент, поэтому ядро становится ядром другого элемента.
Что именно сохраняется в ядерной реакции?
Для записанного уравнения реакции проверяют сохранение электрического заряда и общего числа нуклонов. Поэтому суммы зарядовых чисел и суммы массовых чисел слева и справа должны совпадать.
Откуда берётся энергия при делении тяжёлых ядер?
При делении осколки обычно оказываются связанными сильнее в расчёте на один нуклон, чем исходное тяжёлое ядро. Разность масс переходит в энергию по соотношению E = mc² и уносится энергией осколков и излучения.
Главное в главе VI
