"Физика", Кабардин О.Ф.
Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с другим ядром или частицей. Такие процессы объясняют радиоактивные превращения, работу атомных электростанций и выделение энергии в звёздах. Чтобы записать реакцию, используют нуклонное и зарядовое числа: в уравнении их суммы сохраняются. Изменение массы ядер связано с энергией по формуле E = Δmc², поэтому сравнение исходных и конечных ядер помогает понять, выделяется энергия или поглощается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с другим ядром или частицей. В результате меняются состав или состояние ядра, а среди продуктов могут появиться новые ядра и частицы. Понятие нужно, чтобы отличать процессы внутри ядра от химических изменений электронной оболочки.
Ядерное уравнение — запись реакции с обозначениями исходных ядер, частиц и продуктов превращения. В нём у каждого ядра обычно указывают символ элемента, нуклонное число и зарядовое число. Такая запись позволяет проверить сохранение величин и восстановить неизвестный продукт.
Нуклонное число — общее число протонов и нейтронов в ядре, обозначается A. Например, если в ядре 7 протонов и 7 нейтронов, то A = 14. По этому числу можно учитывать все нуклоны в уравнении, но оно само по себе не показывает, сколько в ядре нейтронов.
Зарядовое число — число протонов в ядре, обозначаемое Z. Оно определяет химический элемент: у всех ядер одного элемента одинаковое Z. Сопоставляя A и Z, можно найти число нейтронов: оно равно A − Z; обозначение ядра имеет вид ^A_ZX.
Ядро записывают как ^A_ZX: сверху слева стоит нуклонное число A, снизу слева — зарядовое число Z, а X обозначает химический элемент. Поскольку заряд ядра создают протоны, их число равно Z. Остальные нуклоны — нейтроны, поэтому их число равно A − Z; например, у ^14_7N семь протонов и семь нейтронов.
В ядерном уравнении сохраняются суммы нуклонных чисел и зарядовых чисел всех участников. Это следует из сохранения общего числа нуклонов и электрического заряда при превращении: отдельные протоны или нейтроны могут перейти в другие частицы и ядра, но общий баланс не нарушается. Поэтому неизвестную частицу находят, уравнивая A и Z независимо, а не подбирая её наугад.
Энергия реакции связана с тем, что масса ядра зависит не только от числа частиц, но и от того, насколько прочно они связаны. Сравнивают суммарные массы исходных частиц и продуктов: если масса продуктов меньше, разность Δm превращается в энергию E = Δmc². Скорость света c велика, поэтому даже небольшая потеря массы соответствует заметной энергии; при обратном балансе энергию приходится затратить.
При делении тяжёлое ядро, например после захвата нейтрона, становится неустойчивым и распадается на два ядра средней массы. Одновременно обычно вылетают несколько нейтронов, а продукты оказываются связанными прочнее в расчёте на один нуклон, поэтому разность энергии связи выделяется наружу. Если нейтроны вызывают деление новых ядер, число актов может нарастать: так возникает цепная реакция.
Лёгкие ядра имеют положительный электрический заряд и отталкиваются, поэтому для их сближения нужны очень высокая температура; высокое давление помогает чаще сталкивать частицы. Когда ядра преодолевают отталкивание и объединяются, итоговое ядро может оказаться устойчивее исходных, а удельная энергия связи — больше. Тогда разность энергии высвобождается, и синтез становится энергетически выгодным.
| Характеристика | Деление тяжёлого ядра | Синтез лёгких ядер | Радиоактивное превращение |
|---|---|---|---|
| Какие ядра участвуют | Тяжёлое ядро и обычно нейтрон | Два лёгких ядра | Одно нестабильное ядро |
| Условия протекания | Захват частицы или столкновение | Очень высокая температура и давление | Самопроизвольное превращение |
| Продукты реакции | Два ядра средней массы и нейтроны | Более тяжёлое ядро и частица или излучение | Новое ядро и частица или излучение |
| Выделение энергии | За счёт увеличения удельной энергии связи продуктов | За счёт увеличения удельной энергии связи конечного ядра | Возможно при переходе к более устойчивому состоянию |
| Практическое значение | Ядерные реакторы и атомная энергетика | Энергия звёзд и перспективная термоядерная энергетика | Определение состава веществ, медицина и датирование |
Сначала сравнивайте, какие ядра вступают в процесс и что получается: так проще различить деление, синтез и радиоактивное превращение. Затем смотрите на условия и источник энергии, не забывая, что выделение энергии определяется изменением устойчивости ядер. Таблица показывает типичные случаи, а конкретное уравнение всегда проверяют по сохранению A и Z.
Определим X в реакции ^14_7N + ^4_2He → ^17_8O + X. В записи слева два исходных ядра, а справа известны кислород и неизвестная частица. Балансируем отдельно число нуклонов и заряд.
Ответ: X — протон ^1_1H. Два независимых баланса нужны потому, что одного совпадения зарядов недостаточно для определения состава частицы. Если найденные A и Z соответствуют известной частице, уравнение согласовано с законами сохранения.
Для реакции ^2_1H + ^3_1H → ^4_2He + ^1_0n пусть даны массы всех участников. Требуется найти дефект массы и энергию. Массы исходных ядер складываем отдельно от масс продуктов.
Ответ записывают как найденное Δm и энергию E в джоулях или электронвольтах. Численное значение зависит от данных масс, которых в условии задачи не указано. Знак разности показывает, выделяется ли энергия: при положительном Δm она выделяется.
При делении ^235_92U нейтроном возможен один из нескольких наборов осколков, поэтому универсального единственного уравнения нет. Для примера возьмём продукты ^141_56Ba и ^92_36Kr, а число нейтронов обозначим n. Сначала уравняем A, затем зарядовое число.
Ответ: для выбранного варианта образуются три нейтрона; цепная реакция возможна, если нейтроны не теряются и вызывают новые деления. Другие осколки дают другое число нейтронов, но уравнение всё равно должно сохранять A и Z. Само наличие нейтронов ещё не гарантирует развития цепного процесса.
Нуклонное число принимают за число нейтронов. Это случается, когда забывают, что «нуклоны» — общее название протонов и нейтронов. Проверь себя по формуле: A = Z + число нейтронов, значит, число нейтронов равно A − Z.
Балансируют только зарядовые числа и не проверяют нуклонные. Так можно получить частицу с правильным зарядом, но неверным числом нуклонов. После решения сложи отдельно все A и все Z по обе стороны уравнения.
Ядерную реакцию путают с химической, считая, что меняется лишь электронная оболочка. В химических превращениях ядра обычно остаются прежними, а ядерная реакция меняет состав или состояние ядра. Проверь, изменились ли A или Z хотя бы у одного ядра.
Считают, что любая реакция с ядрами обязательно выделяет энергию. Это предположение неверно: результат зависит от масс и энергии связи исходных частиц и продуктов. Сравни суммарные массы: при меньшей массе продуктов разность может выделиться как энергия, а в обратном случае энергию нужно затратить.
Для этой темы нужны знания о строении атомного ядра, протонах, нейтронах, массовом и зарядовом числах. Законы сохранения помогают составлять ядерные уравнения, а формула E = Δmc² связывает дефект массы с энергией. Эти знания пригодятся при изучении радиоактивности, устройства ядерной энергетики, радиационной безопасности и термоядерного синтеза.
Почему в ядерной реакции может измениться химический элемент?
Химический элемент определяется числом протонов в ядре — зарядовым числом Z. Если в реакции число протонов изменилось, ядро стало ядром другого элемента. При этом сохраняется общий заряд всех участников реакции.
Как быстро найти неизвестную частицу в ядерном уравнении?
Сложи нуклонные числа отдельно слева и справа, затем так же поступи с зарядовыми числами. Вычти из общей суммы слева известные числа продуктов реакции. Полученные A и Z подскажут, какая частица неизвестна.
Почему при уменьшении массы выделяется энергия?
Масса и энергия связаны формулой E = mc². Если суммарная масса продуктов меньше массы исходных частиц, разность масс превращается в энергию реакции. Это не означает, что исчезает вещество: энергия связана с состоянием и взаимодействием частиц.
Чем ядерная реакция отличается от радиоактивного распада?
При радиоактивном распаде нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другое ядро и испускает частицу или излучение. Ядерную реакцию обычно вызывают взаимодействием ядра с частицей или другим ядром. Распад — один из видов ядерного превращения.
Почему цепная реакция не возникает при любом делении ядра?
При делении выделяются нейтроны, но часть из них может покинуть вещество или быть поглощена без нового деления. Цепная реакция поддерживается, только если достаточно нейтронов вызывает последующие акты деления. Поэтому важны состав, размеры и условия в веществе.
Ядерные реакции
