Ядерные реакции
В данной статье мы разберем сущность ядерных реакций и научимся их составлять.
Что же происходит в результате ядерных реакциях? Происходят изменения в ядрах атомов, включая деление ядер (ядерный распад), слияние ядер (ядерный синтез), и другие процессы. При этом могут образовываться новые элементы, атомные частицы при этом могут меняться, наблюдаются процессы высвобождения или поглощения энергии и другие изменения.
Ядерные реакции имеют более высокий энергетический потенциал, чем химические реакции, и часто используются в ядерной энергетике, в технологии ядерного оружия, и для создания радиоактивных элементов для применения в медицине и науке.
При ядерном расщеплении высвобождается огромное количество энергии.
Одним из первых известных случаев управляемого ядерного расщепления было экспериментальное разделение ядерного материала урана-235, который был осуществлен в 1938 году немецкими физиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Этот эксперимент стал отправной точкой для создания атомной бомбы.
Позже, в 1945 году, были сброшены две ядерные бомбы на Хиросиму и Нагасаки в Японии, что привело к окончанию Второй мировой войны. С тех пор ученые продолжают изучать и управлять ядерными реакциями в целях энергетики, но при этом также существует опасность использования ядерных технологий в вооруженных конфликтах.
Примером ядерной реакции служит следующий распад урана:
23592U + 10n → 14256Ba + 9136Kr + 310n
С помощью ядерных превращений ученые получают искусственные изотопы, которые невозможно обнаружить в природе.
Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году в результате бомбардировки ядер атомов азота α-частицами:
147N + 42He = 171О + 11р
Этот эксперимент привел к образованию кислорода-17 и водорода-1 из азота-14. Таким образом, было впервые доказано, что ядерные реакции могут изменить состав атомов и создать новые элементы.
В настоящее время, чтобы осуществить искусственные превращения, чаще всего используют протоны или нейтроны:
105В + 10n = 73Li + 42He
Ядерные реакции — это превращения атомных ядер в результате их взаимодействия друг с другом и с элементарными частицами.
Схематично ядерные реакции можно выразить следующим образом:
Реагенты, вступающие в реакцию → Продукты, получившиеся в результате реакции
Самопроизвольные ядерные превращения (радиоактивный распад) сопровождаются (правило смещения (К. Фаянс, Ф. Содди, 1913 г.):
• испусканием α-частиц (Не), при котором массовое число изотопа уменьшается на 4 единицы, а заряд ядра на 2:
23892U = 42He + 23490Th
• β-распадом, при котором ядро испускает электрон (β-частицу) за счет превращения одного нейтрона ядра в протон (часть энергии выделяется в этом процессе также в виде антинейтрино); массовое число химического элемента при этом не изменяется, а заряд его ядра увеличивается на единицу:
23490Th = -1β + 23491Pa
• γ-излучением, при котором массовое число элемента не изменяется, однако энергия его ядра уменьшается; γ-активными излучателями являются изотопы 60Co, 137Cs и 224Ra;
• позитронным распадом (позитрон — частица с элементарным положительным зарядом и массой электрона -1β), в результате которого один протон превращается в нейтрон, а заряд ядра уменьшается на единицу (массовое число атома остается постоянным):
116С = 115В + +1β
• электронным захватом (К-захватом), при котором электрон ближайшего к ядру К-слоя захватывается ядром, а протон ядра превращается в нейтрон. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется (в результате перехода внешнего электрона на вакантную орбиталь К-слоя выделяется энергия в виде рентгеновского излучения):
4019К + -1ē = 4018Ar + γ
Для того, чтобы ядерная реакция была сбалансированной, сумма атомных номеров элементов и сумма массовых чисел должны быть одинаковыми до и после реакции.
Основные законы, которые необходимо учитывать при написании ядерных реакций:
1. Закон сохранения массы:
Суммарная масса всех реагентов должна равняться суммарной массе всех продуктов реакции. Массовое число (A) ядер реагентов должно быть равно массовому числу ядер продуктов.
2. Закон сохранения электрического заряда:
Суммарный электрический заряд всех реагентов должен быть равен суммарному электрическому заряду всех продуктов реакции.
Эти законы позволяют соблюдать баланс в ядерных реакциях и обеспечивают сохранение энергии и массы при ядерных превращениях.
Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):
3517Сl + 10n → X + 11H
Найдем элемент Х в правой части уравнения ядерной реакции.
Исходя из баланса масс ядерной реакции атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Поэтому в результате данной ядерной реакции образуется изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35):
3517Сl + 10n → 3516S + 11H
С помощью ядерных реакций получают радиоактивные изотопы. Их количество около 1500, они получены для всех химических элементов. Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными. Это элементы с порядковыми номерами 43, 61 и 84-118.
Ядерные реакции в природе. Ядерные реакции проходят при очень высоких температурах, которые можно встретить либо в недрах звезд, либо в звездных атмосферах. Для того чтобы слились два ядра, нужно, чтобы они подошли друг к другу достаточно близко. При обычных значениях температуры на Земле два положительно заряженных ядра отталкиваются друг от друга настолько сильно, что синтез произойти не может. При очень больших температурах ядра с большой кинетической энергией двигаются намного быстрее, чем данный энергетический барьер отталкивания может быть преодолен.
Как только ядра подойдут достаточно близко, в дело вступают мощные силы ядерного взаимодействия, которые удерживают в ядре вместе протоны и нейтроны, и таким образом ядра объединяются, образуя более тяжелые.
Все элементы, которые встречаются в природе, включая и те, что имеются в нашем организме, рождены в итоге термоядерных реакций на звездах.
В процессе реакций ядерного синтеза, протекающих в газовых
облаках звезд, образуются новые элементы. Например, когда во время реакции ядерного синтеза сливаются два ядра атома водорода, они превращаются в гелий. Высвобожденная энергия вызывает при этом свечение газового облака. Синтез является основным процессом в центре звезд, где температура достигает сотен миллионов градусов. На рисунке 1 проиллюстрирована данная реакция ядерного синтеза.
Рисунок 1 — Реакция ядерного синтеза
Ниже приведены два примера ядерных реакций, протекающих на Солнце. В них участвуют три изотопа водорода:
11H + 21D → 31T
21H + 31T → 42D + 10n
В звездах другого типа протекают термоядерные реакции гелия с образованием углерода, кислорода, неона. магния, серы. аргона, кальция и т. д.
Ядерные реакции могут быть вызваны делением (деление атомного ядра на более легкие фрагменты), слиянием (слияние двух или более протонов и нейтронов для образования более тяжелого ядра) или захватом (поглощение ядром элементарной частицы). В результате ядерных реакций может выделяться огромное количество энергии в форме тепла, света или радиации.
Ядерные реакции широко используются для производства энергии в атомных электростанциях, а также для создания ядерного оружия. Важно уметь контролировать ядерные реакции, чтобы избежать аварий и несчастных случаев.
Составление уравнений ядерных реакций
Пример 1. Дописать уравнение следующей ядерной реакции:
5324Cr + n → 5223V + …
Решение. Чтобы определить пропущенную частицу, применим правила составления ядерных реакций и закон сохранения массы веществ. Также важно помнить, что заряды всех частиц в левой и правой частях уравнения должны быть равны. В левой части уравнения сумма цифр внизу равна 24, справа 23, следовательно, в пропущенной частице она равна 1. Сумма цифр сверху равна 53, справа 52. Поэтому в пропущенной частице она также равна 1.
Следовательно, пропущенная частица это протон 11р.
Пример 2. Определить продукты радиоактивного распада под буквами Х, Y и Z:
22688Ra → (α-распад) Х → (α-распад) Y → (β-распад) Z
Решение. При α-распаде 22688Ra его массовое число А уменьшается на четыре единицы и стано вится равным АХ = 226-4 = 222. Заряд ядра при этом уменьшается на две единицы и оказывается равным ZХ = 88-2 =86. Первый распад приводит к образованию изотопа радона 22286Ra.
Продукт α-распада радона определяем аналогичным образом: АY = 222-4 = 218, ZY = 86-2 = 84. В результате второго распада образуется изотоп полония 21884Po.
β-распад полония не меняет массовое число элемента, но увеличивает на единицу заряд его ядра: ZZ = 84+1 = 85. Конечным продуктом данной цепочки распадов будет элемент с номером 85, т. е. астат 21885At.
Таким образом, полная схема ядерных превращений будет иметь следующий вид:
22688Ra → (α-распад) 22286Ra → (α-распад) 21884Po → (β-распад) 21885At
Задания для самопроверки:
Задание 1
В результате следующей ядерной реакции 147N + 42He → 178O + … образуется частица:
А) альфа-частица
В) бета-частица
С) электрон
D) протон
E) нейтрон
Задание 2
Определите заряд ядра и массовое число химического элемента Х, образующегося в результате следующей ядерной реакции 126С → Х + -1ē:
А) Z = 6, A = 13
В) Z = 7, A = 12
С) Z = 13, A = 6
D) Z = 12, A = 7
E) Z = 14, A = 5
Задание 3
В результате радиоактивного превращения ядра атома радия 22688Ra в ядро атома радона 22286Ra образуется:
А) альфа-частица
В) бета-частица
С) гамма-частица
D) протон
E) нейтрон
Задание 4
В результате превращения массивного изотопа калия 4019К в кальций 4020Ca образуется:
А) альфа-частица
В) бета-частица
С) электрон
D) протон
E) нейтрон
Задание 5
Полоний 21184Ро может превратиться в свинец 20782Рb в результате:
А) одного альфа-распада
В) одного бета-распада
С) одного альфа- и одного бета-распада
D) испускания гамма-кванта
E) двух бета-распадов
Ответы:
1 – D, 2 – B, 3 – A, 4 – C, 5 – A.
5,00/5 (1 голосов)
Загрузка...