1. Ядерные реакции

Определения и обозначения

Ядерная реакция — превращение атомных ядер при их взаимодействии с другими ядрами или частицами. В результате исходное ядро может исчезнуть, а вместо него появятся новые ядра и частицы. Это отличается от химической реакции, где ядра атомов не меняются, а перестраивается электронная оболочка.

Ядерное уравнение — краткая запись ядерной реакции с обозначениями всех исходных и образовавшихся ядер и частиц. Оно нужно, чтобы видеть состав реакции и проверять, правильно ли расставлены её участники. По уравнению можно также найти неизвестное ядро или частицу.

Массовое число — число нуклонов в ядре, то есть протонов и нейтронов; его обозначают буквой A. Если в ядре Z протонов и N нейтронов, то A = Z + N. Это число помогает проверить сохранение общего количества частиц ядра.

Зарядовое число — число протонов в ядре, обозначаемое буквой Z. Поэтому заряд ядра равен +Ze, где e — элементарный заряд, а само число Z определяет химический элемент. Например, Z = 8 соответствует кислороду, независимо от числа его нейтронов.

Как это устроено

Ядерная реакция начинается с взаимодействия ядра с частицей или другим ядром. При достаточно близком столкновении меняется состав ядер, потому что действуют сильные ядерные силы. Поэтому среди продуктов реакции появляются новые ядра, нейтроны, протоны или другие частицы.

В записи ядра массовое число ставят сверху слева, а зарядовое — снизу слева: ^A_ZX. Такое расположение сразу показывает, сколько в ядре нуклонов и протонов. Число нейтронов можно найти как N = A − Z, поэтому по записи восстанавливается состав ядра.

При составлении уравнения сравнивают не сами названия ядер, а суммы чисел A и Z. Сумма A сохраняется, потому что в реакции не исчезают нуклоны бесследно: они переходят в состав других ядер или свободных частиц. Сумма Z сохраняется, поскольку общий электрический заряд участников не меняется.

Если неизвестен участник реакции, сначала отдельно вычисляют его A и Z. Для этого из общей суммы слева вычитают известную сумму справа или используют обратное вычитание. Затем полученную пару чисел сравнивают с обозначениями частиц: например, ¹₀n — нейтрон, а ¹₁p — протон.

Энергия реакции связана с изменением массы системы. При делении тяжёлого ядра, например урана, на два более лёгких ядра и нейтроны часть массы превращается в энергию. При соединении лёгких ядер, как в реакции дейтерия и трития, также может выделяться энергия, если конечное состояние энергетически выгоднее исходного.

Примеры и особенности ядерных реакций

Сначала в таблице удобно смотреть на запись реакции, а затем отдельно проверять суммы A и Z. Если хотя бы одна сумма не совпала, в уравнении пропущена частица или неверно указано ядро. Обозначения сверху и снизу позволяют одновременно контролировать состав и заряд участников.

Разбор задач

Задача 1. Проверка уравнения

Проверим реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Нужно установить отдельно сохранение массового и зарядового чисел. Нельзя ограничиваться только одной проверкой.

1. Складываем массовые числа слева: 14 + 4 = 18.
2. Складываем массовые числа справа: 17 + 1 = 18.
3. Сравниваем зарядовые числа: слева 7 + 2 = 9, справа 8 + 1 = 9.

Обе суммы совпали. Следовательно, уравнение удовлетворяет законам сохранения массового и зарядового чисел.

Задача 2. Поиск неизвестной частицы

Рассмотрим реакцию ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ?. Неизвестный участник должен уравновесить обе характеристики реакции. Поэтому сначала найдём его A, затем Z.

1. Слева массовая сумма равна 27 + 4 = 31. У фосфора уже есть 30, значит, для неизвестной частицы A = 31 − 30 = 1.
2. Слева зарядовая сумма равна 13 + 2 = 15. У фосфора Z = 15, поэтому для неизвестной частицы Z = 15 − 15 = 0.
3. Частица с A = 1 и Z = 0 — нейтрон, ¹₀n.

Ответ: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n. Одна только величина A не позволила бы надёжно определить частицу.

Задача 3. Число нейтронов при делении урана

После захвата нейтрона ядром ²³⁵₉₂U образовались ¹⁴¹₅₆Ba, ⁹²₃₆Kr и несколько нейтронов. Обозначим их число буквой n. Составим уравнение и применим сохранение массового числа.

1. Записываем реакцию: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + n¹₀n.
2. По массовым числам получаем: 235 + 1 = 141 + 92 + n.
3. Вычисляем: 236 = 233 + n, поэтому n = 3.
4. Проверяем заряд: 92 = 56 + 36, значит, зарядовое число тоже сохраняется.

Ответ: образовались три нейтрона. Проверка заряда подтверждает, что найденное значение согласуется со всем уравнением.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что при реакции сохраняются сами исходные ядра. Это неверно: они могут превратиться в ядра других элементов или распасться на частицы. Проверяйте не названия ядер, а суммы A и Z у всех участников.

Другая ошибка — уравнять только массовые числа. Такое равенство ещё не гарантирует сохранение электрического заряда. После проверки A обязательно отдельно сложите все нижние индексы Z.

Массовое число A иногда путают с зарядовым Z. A показывает число протонов и нейтронов вместе, а Z — только число протонов. Самопроверка проста: число нейтронов должно вычисляться как N = A − Z.

Неизвестную частицу нельзя определять только по A. Разные частицы могут иметь одинаковое массовое число, но различаться зарядовым числом. Поэтому сначала находите пару A и Z, а затем распознавайте участника реакции.

Связь с другими темами

Для понимания ядерных реакций нужны знания о строении атомного ядра, протонах, нейтронах и обозначениях химических элементов. Без различия между A и Z трудно правильно читать ядерные уравнения. Эти сведения являются основой дальнейших расчётов.

Законы сохранения массового и зарядового чисел применяются при изучении радиоактивных превращений. С их помощью находят продукты распада и неизвестные частицы. Те же правила помогают проверять решения задач.

Деление и соединение ядер связаны с ядерной энергетикой и термоядерными реакциями. В этих процессах особенно заметно выделение энергии. Поэтому изученные обозначения и законы нужны для понимания работы ядерных установок.

Что запомнить

• Ядерная реакция изменяет состав атомных ядер.
• В ядерном уравнении ядро записывают с числами A и Z.
• Массовое число A равно числу протонов и нейтронов в ядре.
• Зарядовое число Z равно числу протонов.
• В ядерной реакции сохраняются суммы массовых чисел и суммы зарядовых чисел.
• Неизвестную частицу находят, применяя оба закона сохранения.