"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Атомное ядро можно изменить, столкнув его с другой частицей или ядром: так происходит искусственное превращение. Запись такой ядерной реакции показывает исходные частицы и продукты, а законы сохранения заряда и массового числа помогают проверить её и найти неизвестный продукт. Протонно-нейтронная модель описывает ядро как совокупность протонов и нейтронов. Число протонов определяет химический элемент, а разность массового и зарядового чисел даёт число нейтронов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Искусственное превращение атомных ядер — изменение состава ядра в результате его взаимодействия с другой частицей. Например, налетающая частица может проникнуть в ядро или вызвать его перестройку. Это понятие помогает отличать вызванные взаимодействием изменения от самопроизвольного радиоактивного распада. По изменившемуся составу можно установить, какое ядро образовалось.
Ядерная реакция — взаимодействие атомного ядра с частицей или другим ядром, сопровождающееся образованием новых ядер и частиц. Её записывают уравнением, указывая исходные объекты и продукты. Такая запись нужна, чтобы видеть, какие частицы участвовали в процессе и какие появились. Проверить её можно с помощью законов сохранения.
Протонно-нейтронная модель атомного ядра — представление о ядре как о системе протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами. Эта модель позволяет описать состав ядра числами, а не только названием элемента. С её помощью объясняют различия между ядрами одного элемента.
Массовое число A — общее число нуклонов в ядре, а зарядовое число Z — число протонов. Поэтому количество нейтронов равно N = A − Z. В записи ядра ᴬZX эти числа ставят слева от символа элемента: A сверху, Z снизу. Обозначения помогают определять состав ядра и уравнивать ядерные реакции.
В опыте Резерфорда ядра азота бомбардировали альфа-частицами, то есть ядрами гелия. Среди продуктов обнаружили ядра кислорода и протоны: ядро азота под действием налетающей частицы превратилось в ядро другого элемента. Именно появление нового ядра в результате столкновения показало, что ядра можно превращать искусственно. Этот опыт стал первым примером такого превращения.
В записи реакции сначала указывают исходное ядро и частицу, которая на него налетает, а после стрелки — продукты реакции. Такая форма показывает, какие объекты вступили во взаимодействие и что возникло в результате. Символы частиц сопровождают числа A и Z, чтобы можно было сразу проверить баланс нуклонов и заряда. Например, в реакции Резерфорда запись имеет вид ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p.
Чтобы найти неизвестную частицу, сравнивают суммы верхних индексов A слева и справа, а затем отдельно сравнивают нижние индексы Z. Это работает потому, что в ядерной реакции сохраняются число нуклонов и электрический заряд. Полученные A и Z неизвестного продукта сопоставляют с известными частицами и ядрами. Если обе суммы не совпали, в уравнении есть ошибка или пропущен продукт.
Протонно-нейтронная модель нужна потому, что положительный заряд ядра создают протоны, а наблюдаемая масса ядра не объясняется одними протонами. Нейтроны не имеют электрического заряда, но обладают массой и входят в состав ядра. Общее количество нуклонов задаётся числом A, а протонов — числом Z. Поэтому оставшиеся N = A − Z нуклонов являются нейтронами.
Изотопы — ядра одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поскольку элемент определяется зарядовым числом Z, у изотопов оно одно и то же. Различается N, поэтому различается и массовое число A. Так модель объясняет, почему атомы одного элемента могут иметь ядра разной массы.
| Характеристика | Протон | Нейтрон | Атомное ядро |
|---|---|---|---|
| Электрический заряд | +e | 0 | +Ze |
| Масса | Около 1,0073 а.е.м. | Около 1,0087 а.е.м. | Зависит от состава; меньше суммы масс свободных нуклонов из-за энергии связи |
| Обозначение | ¹₁p | ¹₀n | ᴬZX |
| Количество в ядре | Z | N = A − Z | A = Z + N нуклонов |
| Связь с массовым числом A и зарядовым числом Z | Каждый протон даёт единицу Z и входит в A | Каждый нейтрон входит в A, но не в Z | A — число нуклонов, Z — число протонов |
| Роль в определении химического элемента | Число протонов задаёт элемент | Сам по себе элемент не определяет | Элемент задаётся зарядовым числом Z |
Чтобы определить состав ядра, сначала найдите Z: столько в нём протонов. Затем вычтите Z из A и получите число нейтронов. При проверке заряда учитывайте протоны, а при подсчёте нуклонов — и протоны, и нейтроны.
Задача 1. Определить число протонов и нейтронов в ядре алюминия ²⁷₁₃Al. В обозначении ядра верхнее число A равно 27, а нижнее Z равно 13. Нужно установить состав ядра, не смешивая общее число нуклонов с числом нейтронов.
Ответ: 13 протонов и 14 нейтронов.
Задача 2. Дополнить уравнение ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + X. Неизвестная частица должна обеспечить сохранение и массового, и зарядового числа. Поэтому нельзя ограничиваться только одним из двух равенств.
Ответ: X = ¹₀n.
Задача 3. В реакции ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + X нужно найти неизвестную частицу и объяснить, почему превращение искусственное. Сначала определим её массовое и зарядовое числа по балансам. Затем установим, как именно изменилось ядро азота.
Ответ: X = ¹₁p; реакция искусственная, поскольку изменение ядра вызвано налетающей частицей.
Путают A с числом нейтронов и считают, что A обозначает только нейтроны. Так происходит, если забыть, что A — общее число протонов и нейтронов. Проверьте себя сложением: A должно равняться Z + N, а N вычисляется как A − Z.
Считают, что заряд ядра создают все нуклоны. Ошибка возникает из-за того, что нейтроны входят в состав ядра наравне с протонами, но электрического заряда у них нет. Чтобы проверить заряд, умножьте число протонов Z на элементарный заряд e.
При уравнивании реакции проверяют только массовые числа. Тогда можно получить частицу с подходящим A, но с неверным зарядом. Всегда составляйте две отдельные проверки: для суммы A и для суммы Z.
Полагают, что элемент меняется без изменения числа протонов. Чаще всего здесь путают массовое число с зарядовым: изотопы действительно могут различаться числом нейтронов, но остаются одним элементом. Проверьте Z до и после реакции: новое значение Z означает новое химическое ядро.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, зарядах протона и электрона, изотопах и массовом числе. Протонно-нейтронная модель и запись реакций пригодятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций, деления и синтеза ядер. В дальнейшем сохранение массового числа и заряда используют вместе с данными о массах, чтобы рассчитывать энергетический выход реакции. Так описание состава ядра становится основой для анализа ядерных процессов.
Почему нейтрон входит в состав ядра, хотя не имеет электрического заряда?
Нейтрон участвует в сильном взаимодействии, которое удерживает нуклоны вместе, и вносит вклад в устойчивость ядра. Его отсутствие электрического заряда не мешает ему быть частью ядра.
Как по записи ядра определить число протонов и нейтронов?
В записи ᴬZX нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний индекс A — общее число нуклонов. Число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z.
Чем искусственное превращение ядра отличается от радиоактивного распада?
При искусственном превращении ядро изменяется в результате взаимодействия с частицей или другим ядром. Радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешней бомбардировки.
Почему при ядерной реакции нужно сохранять и массовое число, и заряд?
В реакции сохраняются суммарный электрический заряд и число нуклонов, которое отражает массовое число A. Поэтому равенства для зарядовых и массовых чисел должны выполняться одновременно.
Можно ли по уравнению реакции определить неизвестную частицу?
Да. Нужно отдельно уравнять суммы массовых чисел и зарядовых чисел слева и справа, а затем определить частицу по найденным значениям. Например, A = 1 и Z = 1 соответствуют протону.
§ 67. Искусственное превращение атомных ядер. Протонно-нейтронная модель атомного ядра
