§ 7.9. Искусственное превращение атомных ядер

Определения и обозначения

Искусственное превращение атомных ядер — изменение состава или состояния ядра под воздействием частицы, направленно посланной извне. В отличие от самопроизвольного распада, оно начинается по инициативе исследователя. Это позволяет получать ядра, которых не было в исходном веществе.

Ядерная реакция — взаимодействие атомного ядра с частицей или другим ядром, при котором образуются новые ядра и частицы. В результате меняется состав или энергетическое состояние ядер. Понятие нужно, чтобы описывать такие превращения единым языком и проверять их по законам сохранения.

Ядро-мишень — атомное ядро, подвергающееся бомбардировке частицей или другим ядром. Именно с ним должно взаимодействовать incoming? снаряд, чтобы реакция состоялась. В записи реакции мишень обычно ставят первой.

Частица-снаряд — частица, направляемая на ядро-мишень для вызова ядерной реакции. Ею может быть протон, нейтрон, альфа-частица или другое ядро. Её энергия определяет, сможет ли она приблизиться к мишени и вступить во взаимодействие.

Как это устроено

Сначала частица-снаряд приближается к ядру-мишени. Если снаряд положительно заряжен, его отталкивает положительный заряд ядра, поэтому ему нужна достаточно большая кинетическая энергия для преодоления кулоновского барьера. Нейтрон такого отталкивания не испытывает и может приблизиться к ядру даже при сравнительно небольшой энергии.

После сближения снаряд начинает взаимодействовать с нуклонами ядра — протонами и нейтронами. Возможны захват частицы, выбивание другого нуклона, деление или образование нового ядра. Конкретный результат зависит от состава мишени, вида снаряда и его энергии, потому что эти условия определяют, какие каналы взаимодействия доступны.

Ядерную реакцию записывают символически: ядро-мишень и частица-снаряд помещают слева от стрелки, а продукты реакции — справа. У каждого ядра указывают массовое число A сверху и зарядовое число Z снизу. Такая запись сразу показывает, сколько нуклонов и протонов участвует в превращении.

В любой реакции сохраняется массовое число, потому что нуклоны не исчезают бесследно и не возникают из ничего в обычном ядерном превращении. Поэтому сумма верхних индексов слева равна сумме верхних индексов справа. Сохраняется и электрический заряд: суммарное число протонов до реакции должно совпадать с суммарным зарядом всех конечных частиц.

В 1919 году Резерфорд направил альфа-частицы на ядра азота. В результате образовались ядро кислорода и протон: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Этот опыт стал доказательством того, что одно атомное ядро можно искусственно превратить в ядро другого химического элемента.

Участники и правила искусственного превращения атомных ядер

Сначала определите мишень, снаряд и продукты реакции, а затем выпишите их A и Z. После этого проверьте оба баланса: отдельно по массовым числам и отдельно по зарядам. Если один из балансов не сходится, в записи есть ошибка или пропущена частица.

Разбор задач

1. Найти недостающую частицу

Условие: дополнить реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ?. Неизвестна одна частица, поэтому её массовое и зарядовое числа найдём из законов сохранения.

1. Для массового числа: A = 14 + 4 − 17 = 1.
2. Для заряда: Z = 7 + 2 − 8 = 1.
3. Частица с A = 1 и Z = 1 — протон, ¹₁H.

Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H.

2. Определить неизвестное ядро

Условие: ⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + X. Нужно определить состав ядра X, используя оба закона сохранения, а не только один из них.

1. Массовое число X равно 7 + 1 − 4 = 4.
2. Зарядовое число X равно 3 + 1 − 2 = 2.
3. Ядро с A = 4 и Z = 2 — ⁴₂He, то есть альфа-частица.

Ответ: X = ⁴₂He, реакция имеет вид ⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He.

3. Найти энергетический выход

Условие: масса исходных частиц равна 8,023829 а.е.м., а продуктов — 8,005206 а.е.м. Найдём энергию реакции, используя 1 а.е.м. = 931,5 МэВ.

1. Дефект массы: Δm = 8,023829 − 8,005206 = 0,018623 а.е.м.
2. Массовый дефект положителен, поэтому часть массы превратилась в энергию.
3. E = Δm · 931,5 МэВ = 0,018623 · 931,5 ≈ 17,35 МэВ.

Ответ: энергетический выход реакции примерно равен 17,35 МэВ.

Типичные ошибки

Путают массовое число A с относительной атомной массой элемента. A — целое число нуклонов в конкретном ядре, а относительная атомная масса может быть дробной. Проверяйте, что в балансе реакции используются именно целые верхние индексы.

Балансируют только заряды и забывают массовое число. Заряд действительно помогает определить элемент, но одинаковый Z ещё не гарантирует правильную реакцию. После подсчёта нижних индексов обязательно сравните и суммы верхних.

Считают, что элемент изменяется без изменения ядра. На самом деле химический элемент определяется зарядом ядра Z, то есть числом протонов. Если Z изменился, изменился и элемент, даже когда массовое число осталось тем же.

Не учитывают кулоновское отталкивание положительного снаряда и ядра-мишени. Из-за этого ошибочно думают, что любой протон легко проникнет в ядро. Проверяйте заряд снаряда: для положительной частицы нужна энергия, достаточная для преодоления электрического барьера.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение атомного ядра, различия между протоном и нейтроном, массовое число, заряд ядра и радиоактивный распад. Эти понятия позволяют понимать состав ядер и отличать самопроизвольное превращение от реакции, вызванной снарядом.

Дальше знания пригодятся при изучении ядерной энергетики, радиоактивных изотопов, синтеза ядер и практических применений ядерных реакций. Законы сохранения помогают анализировать как лабораторные опыты, так и процессы в ядерных установках.

Что запомнить

• Искусственное превращение ядра вызывается внешним воздействием.
• Ядерная реакция изменяет состав или состояние атомного ядра.
• В записи реакции слева указывают ядро-мишень и частицу-снаряд, справа — продукты реакции.
• Сумма массовых чисел до реакции равна сумме массовых чисел после неё.
• Сумма зарядовых чисел до реакции равна сумме зарядовых чисел после неё.
• Нейтронам не нужно преодолевать кулоновское отталкивание при приближении к ядру.
• По сохранению A и Z можно определить неизвестную частицу или ядро.