"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при столкновении с другими ядрами или частицами. Такие процессы позволяют получать новые ядра и объясняют выделение или поглощение энергии. Чтобы записывать и анализировать реакции, используют сохранение суммарного числа нуклонов и электрического заряда. По этим законам можно находить неизвестные продукты реакции, а сравнение масс исходных и конечных частиц показывает её энергетический результат.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии друг с другом или с частицами. В отличие от радиоактивного распада, который происходит самопроизвольно, реакцию обычно вызывают, направляя на ядро частицу или сталкивая ядра. Это понятие нужно, чтобы описывать управляемые превращения вещества.
Уравнение ядерной реакции — запись исходных ядер и частиц слева и продуктов справа. Ядро обозначают символом элемента X и числами: ᴬ_ZX, где A — массовое число, то есть число протонов и нейтронов, а Z — число протонов и зарядовое число ядра. Такая запись позволяет быстро проверять сохранение нуклонов и заряда.
Реакция деления — превращение тяжёлого ядра в два или несколько более лёгких ядер, обычно сопровождаемое испусканием частиц и выделением энергии. Деление важно для понимания работы ядерных реакторов: испущенные нейтроны могут вызвать новые деления. Поэтому одна реакция способна стать началом цепного процесса.
Термоядерная реакция — слияние лёгких ядер, происходящее при очень высокой температуре. Нагрев сообщает ядрам большую скорость и помогает им сблизиться вопреки электрическому отталкиванию. Понятие необходимо для объяснения источника энергии звёзд и исследований управляемого синтеза.
В уравнении реакции слева записывают исходное ядро или ядра и частицы, которые вступают во взаимодействие, а справа — все продукты превращения. Например, облучение ядра частицей может привести к образованию нового ядра и испусканию другой частицы. Такая запись показывает не путь столкновения, а его начальный и конечный состав.
Суммарное число нуклонов сохраняется, потому что при обычных ядерных реакциях протоны и нейтроны не исчезают бесследно, а переходят в состав других ядер или свободных частиц. Сохраняется и общий электрический заряд: он не возникает и не пропадает при взаимодействии. Поэтому суммы массовых чисел A и зарядовых чисел Z слева и справа должны совпадать.
Неизвестное ядро или частицу находят отдельно по каждому балансу. Сначала складывают значения A у известных участников реакции и вычисляют, сколько не хватает до общей суммы; затем так же поступают с Z. Полученные числа указывают массовое число и заряд неизвестного продукта, а сопоставление с таблицей частиц помогает определить его название.
При превращении меняется не только состав ядер, но и энергия системы. Энергия реакции равна разности суммарных энергий покоя исходных и конечных частиц: если у исходных частиц энергии покоя больше, разность может перейти в кинетическую энергию и излучение. Поскольку энергия покоя связана с массой формулой E = mc², энергетический выход можно найти по разности масс, умноженной на c².
Деление превращает одно тяжёлое ядро в более лёгкие фрагменты, а синтез соединяет лёгкие ядра в более тяжёлое. В обоих случаях может выделиться энергия, если конечные продукты имеют меньшую суммарную энергию покоя, чем исходные частицы. Значит, решающее условие связано не с названием процесса, а с разностью энергий системы до и после реакции.
| Вид реакции | Что происходит | Условия или особенности | Энергетический результат |
|---|---|---|---|
| Деление тяжёлого ядра | Ядро распадается на более лёгкие ядра и испускает частицы. | Деление может быть вызвано захватом нейтрона; испущенные нейтроны способны поддерживать цепную реакцию. | Часто выделяется энергия. |
| Слияние лёгких ядер | Два лёгких ядра соединяются в более тяжёлое. | Нужна очень высокая температура, чтобы ядра смогли сблизиться. | Может выделяться энергия. |
| Превращение ядра при облучении частицей | Частица взаимодействует с ядром, изменяя его состав или вызывая испускание других частиц. | Вид продуктов зависит от ядра и налетающей частицы. | Энергия может выделяться или поглощаться. |
Пользуйтесь таблицей, чтобы сравнивать не только результат превращения, но и необходимые условия. При решении задачи сначала определите тип реакции, затем проверьте состав её участников и энергетический результат. Слова «может выделяться» означают, что для вывода нужно сравнить энергии или массы конкретных исходных и конечных частиц.
Задача 1. Дополните реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ? и определите неизвестную частицу. Сравним суммарные массовые и зарядовые числа слева и справа. Неизвестный продукт должен восполнить обе разности.
Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p. Оба баланса сходятся, поэтому найденная частица удовлетворяет законам сохранения.
Задача 2. В реакции ²³₁₁Na + ¹₀n → ²⁴₁₁Na + ? определите испускаемую частицу. Балансируем массовые числа, а затем зарядовые: одного совпадения было бы недостаточно. Проверка обоих чисел позволяет отличить возможный продукт от ошибочного ответа.
Ответ: испускается γ-квант: ²³₁₁Na + ¹₀n → ²⁴₁₁Na + γ. Это пример реакции, в которой ядро после захвата нейтрона избавляется от избытка энергии, испуская излучение.
Задача 3. По массам исходных и конечных частиц найдите энергетический выход реакции и установите, выделяется ли энергия. Пусть суммарная масса исходных частиц равна m₁, а конечных — m₂. Для численного ответа нужны значения масс и скорость света c.
Ответ: энергетический выход равен Q = (m₁ − m₂)c²; без численных масс его можно записать только в таком общем виде. При вычислениях используйте массы в согласованных единицах и не путайте массовые числа с массами частиц.
Считать, что в реакции сохраняется массовое число каждого отдельного ядра, — ошибка: состав и A конкретного ядра могут измениться. Её допускают, перенося на отдельные продукты закон, который относится к системе целиком. Проверьте сумму A всех участников слева и справа: совпадать должны именно суммы.
Если уравнять только массовые числа, можно получить неверную частицу, потому что не будет учтён заряд. Часто это происходит, когда ученик торопится и считает достаточно одного баланса. Проверка проста: отдельно сложите Z слева и справа и убедитесь, что заряд неизвестного продукта тоже учтён.
Массовое число — целое количество нуклонов, а масса ядра — физическая величина, которую измеряют в единицах массы. Их путают из-за похожих названий и потому, что массовое число записано рядом с символом ядра. Для проверки спросите себя, что требуется найти: число протонов и нейтронов или массу, которую можно подставить в E = Δmc².
Уменьшение суммарной массы означает выделение, а не поглощение энергии, если сравниваются начальное и конечное состояния одной реакции. Ошибку провоцирует представление, будто для высвобождения энергии масса должна увеличиться. Проверьте знак разности: при m₁ > m₂ величина (m₁ − m₂)c² положительна, значит энергия выделяется.
Для чтения уравнений реакций нужны знания о составе атомного ядра, протонах и нейтронах, а также о массовом числе и зарядовом числе. Без этих обозначений нельзя составить баланс нуклонов и электрического заряда. Поэтому полезно заранее отличать число нуклонов от массы ядра.
Связь массы и энергии помогает оценивать результат ядерных превращений. Она пригодится при изучении радиоактивных превращений, деления ядер и термоядерного синтеза. Во всех этих темах сравнение состояний до и после превращения показывает, куда переходит энергия.
Чем ядерная реакция отличается от радиоактивного распада?
При радиоактивном распаде неустойчивое ядро самопроизвольно превращается в другое ядро и испускает частицу. Ядерную реакцию обычно вызывают взаимодействием ядра с другой частицей или ядром. Оба процесса меняют ядро, но отличаются причиной начала превращения.
Почему в реакции сохраняется массовое число, если массы ядер могут изменяться?
Массовое число показывает общее количество протонов и нейтронов, то есть нуклонов, а не массу ядра. В реакции нуклоны перераспределяются между продуктами, поэтому их суммарное число сохраняется. Масса же может измениться, поскольку часть энергии покоя переходит в другие формы энергии или наоборот.
Как найти неизвестную частицу в уравнении ядерной реакции?
Сложите массовые числа и зарядовые числа всех частиц слева и справа. Неизвестная частица должна восполнить разность в обоих балансах. Затем проверьте, соответствует ли получившаяся пара чисел известной частице или ядру.
Откуда берётся энергия при делении ядер и их слиянии?
Энергия выделяется, когда суммарная энергия покоя продуктов реакции меньше, чем у исходных частиц. Разность переходит в кинетическую энергию частиц и излучение. В расчёте это выражают через изменение массы по формуле E = Δmc².
Почему для термоядерного синтеза нужна очень высокая температура?
Лёгкие ядра имеют положительный электрический заряд и отталкиваются. При очень высокой температуре они движутся быстрее и чаще получают возможность сблизиться настолько, чтобы сильное ядерное взаимодействие преодолело отталкивание. Поэтому высокая температура помогает запустить синтез.
§ 51. Ядерные реакции
