"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. Она позволяет объяснить, как возникают ядра новых элементов и откуда при ядерных превращениях берётся энергия. Реакцию записывают ядерным уравнением: в нём указывают исходное ядро, частицу-снаряд и продукты. Чтобы проверить запись и найти неизвестную частицу, сравнивают суммы нуклонных и зарядовых чисел слева и справа.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при их взаимодействии с частицами или друг с другом. В результате меняется состав или состояние ядра, а иногда образуются ядра других элементов. Это понятие помогает описывать процессы, происходящие внутри атомных ядер.
Ядерное уравнение — запись реакции, в которой указаны исходное ядро, частица-снаряд и продукты превращения. Частицы, испущенные в ходе реакции, тоже записывают среди продуктов. Такая запись позволяет увидеть, какие ядра и частицы участвовали в процессе.
Нуклонное число — общее число протонов и нейтронов в ядре. Его обозначают верхним индексом у символа ядра, и в ядерной реакции сумма этих чисел сохраняется. По нему можно проверить, все ли частицы учтены в уравнении.
Зарядовое число — число протонов в ядре, которое определяет его электрический заряд и химический элемент. Его записывают нижним индексом, и сумма зарядовых чисел также сохраняется. Это число помогает проверить зарядовый баланс и установить, ядро какого элемента получилось.
Все ядра имеют положительный электрический заряд, поэтому при сближении они отталкиваются. Чтобы заряженная частица вызвала реакцию, её нужно приблизить к ядру настолько, чтобы стало возможным ядерное взаимодействие; для этого частице нужна достаточная энергия. Нейтрон электрически нейтрален, поэтому ядро не отталкивает его электрической силой. Из-за этого нейтрон может приблизиться к ядру без преодоления такого барьера.
При столкновении частица может быть поглощена ядром, после чего образуется новое ядро. Иногда новое ядро оказывается неустойчивым или избыток энергии уходит с другой частицей, которую обязательно указывают в уравнении. Например, при попадании альфа-частицы в азот образуются кислород и протон. Запись реакции: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p.
В ядерном уравнении верхние индексы показывают нуклонные числа, а нижние — зарядовые. Поэтому проверку проводят отдельно для верхних и нижних чисел: сумма верхних индексов слева должна равняться сумме верхних справа, и то же правило действует для нижних. В примере с азотом верхние суммы равны: 14 + 4 = 17 + 1, а нижние — 7 + 2 = 8 + 1. Так проверяют, что в записи соблюдены оба закона сохранения.
Если в уравнении неизвестна частица или ядро, его индексы можно найти по разности соответствующих сумм. Сначала складывают известные нуклонные числа слева и вычитают сумму известных чисел справа; затем выполняют такую же проверку для зарядовых чисел. Полученные значения записывают как верхний и нижний индексы неизвестной частицы. После этого полезно определить, какая именно частица имеет такие числа, и подставить её в уравнение для повторной проверки.
Масса покоя продуктов реакции не обязана совпадать с общей массой исходных частиц. При уменьшении массы часть её переходит в энергию, которая может уноситься частицами и излучением; в другом случае энергия поглощается и масса продуктов увеличивается. Поэтому ядерная реакция может сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Энергетический эффект связан с разностью масс, а не с нарушением сохранения нуклонных или зарядовых чисел.
| Частица | Обозначение | Нуклонное число | Зарядовое число |
|---|---|---|---|
| Протон | ¹₁p | 1 | 1 |
| Нейтрон | ¹₀n | 1 | 0 |
| Альфа-частица | ⁴₂He | 4 | 2 |
| Электрон | ⁰₋₁e | 0 | −1 |
В обозначении слева сверху стоит нуклонное число, а снизу — зарядовое. Пользуйся таблицей, чтобы проверять баланс уравнения и распознавать частицы по их индексам. У электрона нуклонное число равно нулю, а зарядовое отрицательно, поэтому его вклад нельзя путать с вкладом протона.
Записать реакцию азота-14 при бомбардировке альфа-частицами, если образуются кислород-17 и протон. Сначала перенесём названные ядра и частицу в обозначения с индексами. Затем проверим обе суммы, чтобы убедиться, что уравнение сбалансировано.
Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p. Обе суммы совпадают, значит, уравнение согласуется с сохранением нуклонного числа и заряда.
В реакции алюминия-27 с альфа-частицей образуются фосфор-30 и неизвестная частица. Нужно определить неизвестное слагаемое, поэтому сравним суммы слева и справа. Частицу, указанную среди продуктов, нельзя пропускать даже тогда, когда её вид пока неизвестен.
Ответ: неизвестная частица — нейтрон; уравнение имеет вид ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n. Проверка даёт 31 нуклон и зарядовое число 15 с каждой стороны.
Ядро урана-235 захватывает нейтрон и делится на ядра бария-141 и криптона-92. Требуется определить число испущенных нейтронов и записать реакцию. Поскольку в продуктах уже названы два ядра, недостающую часть нуклонного числа должны унести нейтроны.
Ответ: испускаются три нейтрона. Баланс показывает, почему в продуктах деления нужно учитывать несколько свободных частиц.
Сравнивают только зарядовые числа или только нуклонные. Обычно это происходит, когда проверяют лишь один вид индексов и считают, что этого достаточно. Проверяй отдельно две суммы: верхние числа и нижние числа; правильное уравнение должно пройти обе проверки.
Путают верхний индекс с зарядовым числом. Ошибка возникает потому, что оба числа записаны рядом с символом ядра, но верхнее показывает общее число протонов и нейтронов, а нижнее — только протонов. Перед вычислениями подпиши для себя, какой индекс используешь; затем проверь, что A не меньше Z.
Считают, что после реакции обязательно остаётся тот же химический элемент. Так думают, перенося правило химических реакций на превращения ядра, хотя число протонов может измениться. Сравни зарядовые числа исходного и образовавшегося ядер: если они разные, изменился и элемент.
Не учитывают свободные частицы среди продуктов. Их легко пропустить, если в условии главное внимание уделено новым ядрам, однако без таких частиц баланс может не сойтись. Проверь, хватает ли нуклонов и заряда после учёта всех частиц; если нет, найди недостающее слагаемое по разности сумм.
Для этой темы нужны знания о составе атомного ядра: нужно различать протоны и нейтроны, понимать обозначение химического элемента и уметь находить нуклонное и зарядовое числа. Эти понятия помогают читать ядерные уравнения и проверять их. Позже тот же способ рассуждения пригодится при изучении радиоактивных превращений, деления тяжёлых ядер и ядерной энергетики. Там важно устанавливать состав продуктов и учитывать энергию реакции.
Чем ядерная реакция отличается от химической?
При химической реакции меняется взаимодействие электронов, но ядра атомов остаются прежними. При ядерной реакции меняется состав или состояние ядра, поэтому может образоваться ядро другого элемента.
Почему нейтрон может вызвать ядерную реакцию без преодоления электрического отталкивания?
Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому положительное ядро не отталкивает его электрической силой. Он может приблизиться к ядру и вступить с ним во взаимодействие.
Какие числа нужно уравнять в записи ядерной реакции?
Нужно проверить сумму нуклонных чисел и отдельно сумму зарядовых чисел. Обе суммы слева от стрелки должны совпадать с соответствующими суммами справа.
Как определить неизвестную частицу в ядерном уравнении?
Сначала вычитают известные нуклонные числа из общей суммы слева, затем так же находят зарядовое число. По этим двум числам определяют частицу или ядро и проверяют баланс.
Почему при ядерной реакции может выделяться энергия?
Масса покоя продуктов реакции может быть меньше массы исходных частиц. Разность масс превращается в энергию; если масса продуктов больше, энергия поглощается.
§ 51. Ядерные реакции
