06. Строение ядра атома. Ядерные реакции (основной урок)

Радиоактивность. Скорость распада радиоактивных элементов

Актуальной на сегодняшний день моделью строения атома является квантовая модель Нильса Бора. В соответствии с ней, атом представляет собой положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны, занимая при этом строго определённые (квантовые) энергетические уровни.

Однако сегодня мы заберёмся внутрь атома ещё глубже и познакомимся со строением его ядра.

Оказывается, ядро атома тоже не является неделимым. Оно состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которые удерживаются на близком расстоянии друг с другом благодаря ядерным силам.

При разрушении молекулярных связей – например, в процессе горения топлива – выделяется освобождённая энергия их взаимодействия. При изменении состава атомного ядра выделяется энергия ядерного взаимодействия частиц, из которых оно состоит.

Научившись управлять ядерными реакциями, человечество получило перспективный источник энергии. Например, таким образом добывается электроэнергия на атомных электростанциях.

Радиоактивное излучение – это поток некоторых частиц, которые мы сегодня изучим. Поэтому для того, чтобы его обнаружить, нужны специальные приборы, фиксирующие движущиеся частицы.

Большая часть открытий и опытов, о которых мы будем говорить на этом уроке, проводилась с использованием таких приборов, как счётчик Гейгера и камера Вильсона.

Счётчик Гейгера позволяет подсчитывать попадающие в него частицы (электроны, частицы, кванты и т. п.). Подробнее с его устройством вы можете познакомиться в ответвлении.

В отличие от счётчика Гейгера, в камере Вильсона можно проследить не только наличие, но и траекторию частицы – она оставляет след, с помощью которого можно определить соотношение массы и заряда частицы.

Подробнее с устройством камеры Вильсона вы можете познакомиться в ответвлении.

В г. французский физик Беккерель случайно обнаружил, что соли урана испускают невидимое излучение. Он установил, что это излучение отличалось от других известных в то время. А также то, что источником излучения является не молекула соли, а атом урана и что излучение является спонтанным (самопроизвольным). Это спонтанное излучение было названо радиоактивностью.

В дальнейшем было установлено, что кроме урана есть и другие радиоактивные элементы. Более того, супруги Мария и Пьер Кюри выделили два новых, не известных в то время, элемента, которые обладали радиоактивностью: полоний и радий.

Дальнейшие эксперименты, в частности опыты Резерфорда по рассеянию частиц, благодаря которым он пришёл к планетарной модели атома, показали, что радиоактивность – это результат распада ядер атомов.

Радиоактивные вещества испускают три типа излучения:

частицы – это ядра гелия, обладающие положительным зарядом ),

частицы – электроны с или позитроны с положительным зарядом )

лучи – электромагнитное излучение гамма-диапазона. Часть диапазона излучения совпадает с рентгеновским излучением, которое используется в медицине.

Разделить эти три типа излучения можно простым способом. Излучение радиоактивного образца в области, где имеется магнитное поле, разделяется на три компоненты: две отклоняются в противоположные стороны, а третья не меняет направления.

Вспомнив правило левой руки, можно сделать такие выводы: компонента, отклоняющаяся вверх, – это положительно заряженные частицы (или позитроны ); компонента, отклоняющаяся вниз, – это отрицательно заряженные электроны; не отклоняющаяся компонента – это лучи.

Указанные типы излучения имеют очень разные проникающие способности. частицы редко могут пролететь через лист бумаги, частицы могут проникать через несколько миллиметров алюминия, а лучи проходят через несколько сантиметров свинца (одного из самых плотных металлов).

Экспериментально установлено, что в радиоактивном образце, содержащем  радиоактивных ядер, за малый интервал времени  распадется такое число ядер , которое пропорционально , т. е. . Постоянная  называется постоянной распада, знак минус указывает на то, что число ядер  уменьшается с течением времени и . Значение  для каждого радиоактивного вещества – это вероятность распада его атома за единицу времени.

Скорость распада называется активностью (или радиоактивностью) образца. Она обозначается буквой и определяется как количество распадов в единицу времени,

В интернациональной системе единицей активности  является беккерель (Бк):

Вещества с большим значением  распадаются быстрее, чем те, у которых  мало.

Зависимость от времени числа нераспавшихся ядер имеет вид:

, где  – число нераспавшихся ядер в начальный момент

Подобная зависимость характерна для случайных процессов, в которых вероятность наступления некоторого события, например распада определенного ядра, не зависит от времени. Другими словами, ядра не стареют. Вероятность конкретного ядра распасться за единицу времени всегда одна и та же.

Для удобства введена ещё одна величина, характеризующая скорость распада ядер. Она называется периодом полураспада .

Период полураспада  – это время, за которое распадается половина радиоактивных ядер.

С использованием периода полураспада зависимость можно представить в виде

, где  – количество периодов полураспада.

Число  может принимать любое неотрицательное значение (не обязательно целое). Из определения следует, что в любой момент времени  – отношение времени к периоду полураспада.

Объединив эти выкладки в одно выражение получим:

Скорость распада радиоактивных веществ может использоваться для определения возраста археологических, геологических и палеонтологических находок.

Выполним задание:

Радиоактивный источник испускает , и лучи. Куда будут отклоняться и лучи в магнитном поле постоянного магнита?

1. лучи влево, лучи вправо

2. лучи вправо, лучи влево

3. лучи к нам, лучи от нас

4. лучи от нас, лучи к нам

Давайте порассуждаем:

- и лучи представляют собой потоки заряженных частиц. лучи – это высокоэнергичные фотоны, не имеющие массы и заряда.

- На заряженные частицы со стороны магнитного поля будет действовать сила Лоренца, что и приведёт к их отклонению от прямолинейной траектории.

- Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки.

На рисунке из условия слева располагается южный полюс магнита, справа – северный. Линии магнитной индукции начинаются на северном полюсе и заканчиваются на южном, то есть в данном случае индукция магнитного поля направлена влево.

Представим, что линии магнитной индукции входят в ладонь левой руки, вытянутые четыре пальца указывают направление движения положительных зарядов – лучей – вверх. Тогда отогнутый большой палец указывает направление силы Лоренца – к нам. Следовательно, лучи отклоняются к нам.

Для лучей указательный палец необходимо направить вниз, так как они имеют отрицательный заряд.

Тогда большой палец укажет направление действия силы Лоренца – от нас. Следовательно, лучи отклоняются от нас.

Правильный ответ – вариант .

Стоит добавить, что лучи отклоняться не будут, так как кванты не имеют заряда. А значит, на них не будет действовать сила Лоренца.

В пробирке изначально находилось одинаковое число атомов различных химических элементов  и . Вследствие радиоактивного распада число этих атомов с течением времени уменьшается.

На рисунке приведены графики зависимостей от времени числа  нераспавшихся ядер, оставшихся в пробирке к моменту времени .

На основании этих графиков можно утверждать, что:

1. период полураспада ядер элемента больше, чем ядер элемента ;

2. период полураспада ядер элемента меньше, чем ядер элемента ;

3. периоды полураспада ядер элемента и элемента одинаковы;

4. к моменту времени в пробирке будет больше ядер элемента , чем ядер элемента .

Давайте порассуждаем.

Количество нераспавшихся ядер элемента убывает быстрее, чем количество нераспавшихся ядер элемента . Следовательно, скорость распада ядер элемента больше, а период полураспада – меньше (половина ядер элемента распадется быстрее, чем половина ядер элемента ).

Правильный вариант ответа – второй.

Сколько процентов ядер некоторого радиоактивного элемента останется через время, равное трём периодам полураспада этого элемента?

Если за один период полураспада количество нераспавшихся ядер уменьшается в раза, то за время, равное периодов полураспада, оно уменьшится в раз.

В нашем случае .

Следовательно, останется восьмая часть начального количества ядер.

Если в начальный момент времени было ядер, то после трёх периодов полураспада стало :

Правильный вариант ответа – вариант .

В образце имеется  ядер радиоактивного изотопа цезия , имеющего период полураспада лет. Через сколько лет останутся нераспавшимися  ядер данного изотопа?

1. лет  

2. года      

3. лет        

4. года

Давайте порассуждаем.

Количество нераспавшихся ядер в любой момент времени описывается следующим законом:

Нам известно количество нераспавшихся ядер в некоторый момент времени. И именно время нужно определить.

Остаётся выразить его из полученного уравнения и вычислить искомую величину.

Математическую часть решения задачи вы можете пронаблюдать в свертке.

Полученный ответ – лет. Он соответствует варианту под номером .

Строение атомного ядра. Изотопы

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Общее название этих элементарных частиц – нуклоны (от слова nucleus – ядро). Протон и нейтрон имеют почти равные массы, которые больше массы электрона приблизительно в раз. Протон несет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона, нейтрон – нейтральная частица (не обладающая зарядом).

Количество протонов в ядре некоторого атома равно количеству орбитальных электронов в этом атоме (ведь атом является электрически нейтральным). Число протонов в ядре различно для разных элементов и называется атомным числом (обозначается буквой ). В соответствии с атомными числами располагаются элементы в таблице Менделеева. Именно атомное число определяет свойства элемента.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом .

Если обозначить число нейтронов в ядре , то массовое число  можно представить как сумму атомного числа и число нейтронов .

Для ядер принято следующее обозначение:

, где  – химический символ элемента,  – порядковый номер элемента в Периодической таблице (то есть атомное число),  – массовое число.

Например, ядро алюминия обозначается так:

В соответствии с этим обозначением нетрудно найти количество нейтронов в ядре алюминия:

Протон можно обозначить так: , поскольку он является ядром атома водорода.

Нейтрон можно обозначить так: , а электрон так: .

Протоны и нейтроны плотно упакованы в ядре и вместе образуют компактную сферу.

Экспериментально установлено, что радиус ядра приблизительно выражается формулой:

Например, радиус ядра алюминия равен

Ядра и атомы, которые содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов, называются изотопами. Изотопы одного элемента находятся в одной клетке таблицы Менделеева. Все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства, которые определяются зарядом ядра и, соответственно, числом электронов.

Например, углерод встречается в природе в двух стабильных формах. У большей части атомов углерода  ядра являются изотопом, который состоит из протонов и нейтронов. Его обозначение выглядит так .

Небольшая доля  – это изотоп, в котором при таком же числе протонов содержится нейтронов. Его обозначение выглядит так .

Приведённый процентный состав изотопов соответствует их встречаемости в природе.

Атомные массы элементов, приведенные в периодической таблице, усреднены с учётом того, насколько часто они встречаются. Поэтому они, в отличие массового числа, в обозначении изотопов не являются целыми числами. Разделить изотопы химическими методами нельзя.

В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Среди изотопов одного элемента могут быть стабильные и нестабильные. Нестабильные изотопы подвержены радиоактивному распаду. Некоторые элементы имеют только радиоактивные изотопы.

Изотопы есть и у самого тяжелого из природных элементов – урана ( и ), и у самого легкого – водорода ( – обычный водород,  – дейтерий,  – тритий). Тритий – радиоактивен, его период полураспада составляет лет.

Выполним несколько заданий.

Во сколько раз число протонов в ядре изотопа плутония  превышает число нуклонов в ядре изотопа ванадия ?

Число нуклонов – это массовое число , указываемое в верхней части условного обозначения ядра, число протонов – это атомное число , указываемое внизу.

Для ванадия массовое число (оно же число нуклонов):

Для плутония атомное число (оно же число протонов):

Найдём искомое соотношение:

Правильный вариант ответ – вариант под номером .

Ядро изотопа алюминия  содержит:

1. протонов и нейтронов

2. протонов и нейтронов

3. протонов и нейтронов

4. протонов и нейтронов

В условном обозначении ядер , массовое число  – это сумма числа протонов  и числа нейтронов , зарядовое число  – это количество протонов.

В нашем случае, для алюминия массовое число равно , а атомное число равно .

Так как , мы можем легко выразить число нейтронов:

.

Следовательно, в этом ядре содержится протонов и нейтронов.

Правильный вариант ответа – под номером .

Энергия связи атомных ядер. Ядерные распады

Почему же так близко расположенные в ядре одноименно заряженные протоны не разлетаются? Ведь кулоновское отталкивание обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, а расстояние это очень мало (порядка м).

Гравитационные силы препятствовать электромагнитным силам не могут (они слишком слабы), поэтому остаётся предположить, что между нуклонами действуют силы другой природы. Так и есть: это взаимодействие называется сильным ядерным взаимодействием.

Сильное ядерное взаимодействие – это одно из четырёх фундаментальных взаимодействий, существующих в природе.

Оно действует в масштабах ядерного ядра и отвечает за притяжение между нуклонами.

Другие известные нам фундаментальные взаимодействия – это электрическое, магнитное и гравитационное взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие убывает с увеличением расстояния между телами гораздо быстрее, чем функция , справедливая для других фундаментальных взаимодействий. На расстояниях порядка  м эта сила превосходит по величине электрическую силу, а на больших расстояниях значительно ей уступает.

Ядерные силы сильного взаимодействия для любой пары нуклонов (два протона, два нейтрона или протон и нейтрон) одинаковы.

Ограниченный по расстоянию масштаб действия ядерных сил играет важную роль в стабильности ядер. Чтобы ядро было стабильным, в нём должен соблюдаться баланс между электрическими силами отталкивания и ядерными силами притяжения между нуклонами. Каждый протон электрически взаимодействует со всеми протонами ядра, поэтому, чем их больше, тем больше сила отталкивания, действующая на каждый протон.

Сильные ядерные силы действуют между всеми нуклонами (и протонами и нейтронами), но только между нуклонами-соседями они действуют подобно клею. Ведь нейтрон не имеет заряда, а значит, не подвержен электрическим взаимодействиям.

Из сказанного следует, что при большом числе протонов в ядре  для стабильности ядра необходимо не меньшее число нейтронов  – нужно больше «клея», чтобы удержать протоны.

Если последовательно рассматривать элементы по их порядковым числам (то есть количеству протонов ), то, в конце концов, мы дойдем до такого , при котором никакое количество нейтронов не обеспечит баланса между сильным притяжением и электростатическим отталкиванием.

Стабильное ядро с наибольшим числом протонов  – это ядро висмута , в котором  нейтронов. Все ядра с атомным числом  не стабильны, т. е. подвержены спонтанному разрушению.

Спонтанный распад ядер – это и есть радиоактивность, открытая Беккерелем. Естественно, что радиоактивными могут быть и некоторые изотопы элементов с порядковым числом , если в них не сбалансированы электростатические и ядерные силы.

Чтобы разделить стабильное атомное ядро на протоны и нейтроны, нужно преодолеть действие ядерных сил. Требуемая для этого энергия называется энергией связи ядра.

Энергия ядерного взаимодействия частиц в ядре больше, чем энергия связей атомов в молекулах. Поэтому её изменение удобно выразить через изменение массы, воспользовавшись эквивалентностью массы и энергии из СТО.

В случае ядерного взаимодействия изменение массы будет заметным и измеримым.

Сумма масс индивидуальных нуклонов больше массы стабильного ядра из этих нуклонов на величину , которая называется дефектом массы ядра.

А величина – это энергия связи нуклонов в ядре.

Для ядра  сумма масс нуклонов равна:

, где  – масса протона,  – масса нейтрона. Масса ядра, как и массы протона и нейтрона, известна.

Если обозначить массу ядра , то дефект массы:

Итак, энергия связи – это энергия, необходимая для расщепления ядра на нуклоны. Возможно и другое определение: энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из нуклонов.

Когда нестабильное ядро спонтанно распадается, выделяется энергия в виде , или излучений. Для удобства ядерные распады расклассифицированы по виду излучений.

Если при распаде ядра испускаются лучи, то говорят, что произошел распад. Было доказано, что в этом случае излучение является потоком частиц, которые представляют собой положительно заряженные ядра гелия , т. е. частицы имеют заряд  и массовое число (число нуклонов) . Поскольку ядро гелия небольшое и в нем на протона приходится достаточное количество нейтронов (), оно очень стабильно. Именно поэтому ядро гелия излучается из массивного нестабильного ядра как единая частица.

В качестве примера рассмотрим распад ядра изотопа урана , в результате распада образуется ядро тория  и частица. Распадающееся ядро иногда называют родительским, а получающееся в результате распада – дочерним. В рассматриваемом случае  – родительское ядро,  – дочернее. Поскольку родительское и дочернее ядро различаются, то произошло превращение одного элемента в другой.

Запишем этот распад как ядерную реакцию:

Нетрудно увидеть, что при этом распаде ядро теряет положительный заряд  и масса его убывает на а. е. м. (их уносит частица). В результате мы переходим от -го элемента таблицы Менделеева к -му, т. е. смещаемся на клетки к началу периодической таблицы. Это верно для любого распада и называется правилом смещения, которое можно записать так:

Обратите внимание, что зарядовое число родительского ядра  равно сумме зарядовых чисел дочернего ядра  и ядра гелия (). Аналогичное правило выполняется для массовых чисел .

Энергия, выделяемая при распаде, – это кинетическая энергия дочернего ядра и частицы. В кинетическую энергию превращается часть внутренней энергии ядра (энергии связи). Оценить эту часть можно по дефекту массы при распаде. Обращаю ваше внимание на то, что кинетическую энергию дочернего ядра можно не учитывать, потому что она много меньше энергии частицы.

Почему? При распаде сохраняется импульс и если считать, что родительское ядро покоилось, то импульсы дочернего ядра и частицы должны быть одинаковыми по модулю и противоположно направленными.

Обозначим модуль импульса , тогда ему соответствует кинетическая энергия . Эта энергия обратно пропорциональна массе, следовательно, кинетическая энергия массивного дочернего ядра будет много меньше кинетической энергии относительно легкой частицы.

Если при распаде массивного нестабильного ядра испускались лучи, то, как мы знаем, излучение представляет собой поток электронов. В качестве примера рассмотрим распад тория :

Как и в случае распада, произошло превращение одного элемента в другой: тория в протактиний. При этом сохранились число положительных зарядов  и массовое число .

Общее выражение для распада имеет вид

Правило смещения для распада гласит, что дочернее ядро смещено в периодической таблице элементов на одну клетку вправо, массовое число не меняется.

Испускаемый при распаде электрон, в родительском ядре до распада не существовал. Он не был и в электронной оболочке атома. Он образовался во время распада следующим образом. При распаде один из нейтронов родительского ядра превращается в протон и электрон. При этом, естественно, на увеличивается число протонов в ядре  и на уменьшается число нейтронов , таким образом, массовое число  не меняется. Образовавшийся в этом процессе электрон обладает большой кинетической энергией и поэтому покидает атом. Атом становится ионом, ведь заряд ядра увеличился на , а количество орбитальных электронов не изменилось.

Иногда происходит распад другого типа, когда ядро захватывает один из орбитальных электронов.

Он называется распадом.

В этом случае выражение для распада выглядит так:

 – это позитрон, античастица электрона. Позитрон имеет такую же по величине массу как электрон, и несет положительный заря .

В этом процессе также происходит превращение в новый элемент, с номером на меньше (сдвиг в периодической таблице на клетку влево), заряд и массовое число сохраняются.

Ядра, как и орбитальные электроны, могут находиться только в дискретных энергетических состояниях (уровнях). Когда ядро переходит из возбужденного энергетического состояния (оно обозначается звездочкой *) в состояние с меньшей энергией, излучается фотон. Такие фотоны имеют значительно большую энергию, чем фотоны, излучаемые при переходах орбитальных электронов.

При распаде не происходит превращения элементов.

Выполним несколько заданий.

Энергия связи атомного ядра – это:

а) энергия, необходимая для полного расщепления атомного ядра на отдельные нуклоны

б) энергия, которая выделяется при образования атомного ядра из отдельных нуклонов

в) энергия, равная произведению суммы масс нуклонов на квадрат скорости света

1. Только а    

2. Только б    

3. Только в    

4. Только а и б

Энергия связи атома – это энергия, которая выделяется при образовании атомного ядра из отдельных нуклонов. Точно такую же энергию нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Следовательно, утверждения а и б верны.

Правильный ответ – вариант номер .

На рисунке представлена зависимость удельной энергии связи атомных ядер от массового числа.

При разделении каких ядер на нуклоны затрачивается наибольшая энергия на один нуклон?

1.                  

2.                  

3.                 

4. и

В точке удельная энергия связи, то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон, наибольшая, следовательно, на разрушение такой связи надо затратить такую же большую энергию.

Правильный вариант ответа – номер .

На рисунке показана цепочка радиоактивных превращений, в результате которой изотоп тория  превращается в изотоп радия . Пользуясь этой схемой, определите, какие частицы обозначены на ней буквами  и . 

1.  – электрон,  – частица

2.  – частица,  – электрон

3.  – частица,  – протон

4.  – протон,  – электрон

Для того чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо записать реакции ядерного распада.

В каждой из них будут выполняться законы сохранения заряда и массы.

По числам  и  получившейся частицы мы сможем определить ее тип.

Итак, приступим:

реакция:

т. е.  – это частица.

реакция:

 ( – актиний), ,

т. е.  – это электрон.

реакция:

,

т. е.  – это электрон

реакция:

,

 т. е.  – это частица

Следовательно, верный вариант ответа – под номером .

Во что превращается изотоп таллия  после альфа-распада и трёх бета-распадов?

1.  (свинец)

2.  (астат)

3.  (ртуть)        

4.  (уран)

Вспомним правила смещения для и распадов.

При распаде массовое число  уменьшается на , зарядовое число  – на , при распаде  не меняется, а  увеличивается на .

До начала превращений изотопа , .

Значит после распада , .

После -х распадов массовое число остаётся неизменным , а атомное число три раза увеличилось на единицу.

В результате ядро окажется изотопом свинца .

Правильный вариант ответа – первый.

Ядерные реакции. Энергия выхода ядерной реакции

Мы рассмотрели процессы ядерного распада, когда радиоактивные ядра спонтанно превращаются в ядра других элементов. Но распад может происходить не только самопроизвольно. Можно вызвать (индуцировать) распад стабильного ядра, ударив по нему другим ядром, элементарной частицей или фотоном, если они имеют достаточную энергию. Этот процесс называется ядерной реакцией.

В г. Резерфорд определил, что при попадании частицы в ядро азота образуются ядро кислорода и протон. Эта реакция записывается следующим образом:

Поскольку в этом процессе частица вызывает превращение азота в кислород, эта реакция является примером индуцированного ядерного превращения.

В индуцированных ядерных реакциях, как и в спонтанных распадах радиоактивных ядер, соблюдаются законы сохранения суммарного заряда и суммарной массы.

Резерфорд в своих экспериментах использовал частицы, которые образовывались в результате распада массивных радиоактивных ядер. Для протекания реакции требуется, чтобы положительно заряженная частица сблизилась с положительным ядром, понятно, что этому препятствует электрическое отталкивание. Поэтому требуется, чтобы частица обладала большой кинетической энергией.

Во времена Резерфорда для этого требовалось найти подходящий источник излучения (радиоактивное вещество), но это не всегда удавалось.

Теперь это сделать проще, благодаря использованию ускорителей частиц. В ускорителе частицы можно разогнать до энергий на несколько порядков большей, чем та, которую они приобретают в распаде.

Подробнее об ускорителях вы можете узнать в ответвлении.

Особое значение для инициирования ядерных реакций имеют нейтроны. Поскольку нейтроны не имеют заряда, то они не отталкиваются ядром и могут поглотиться им. Поглотившее нейтрон ядро может стать неустойчивым и распасться. Ядру легче поглотить медленный нейтрон, чем быстрый, поэтому ядерные превращения, вызываемые нейтронами, обусловлены не столько быстрыми, сколько медленными нейтронами.

Быстрые нейтроны в промышленных ядерных реакциях замедляют. Это можно сделать в обычной воде. Дело в том, что в воде много атомов водорода, ядра которых – протоны. Масса протона почти равна массе нейтрона, поэтому при центральном соударении быстрый нейтрон практически полностью передает покоящемуся протону свою кинетическую энергию. Такой факт для упругого столкновения шаров вам хорошо известен из механики.

Шуточную интерпретацию ядерной реакции с замедлением нейтронов в воде вы можете пронаблюдать на картинке.

При вычислениях, связанных с элементарными частицами, атомами и ядрами, массы удобно выражать не в килограммах, а в атомных единицах массы (а. е. м.).

а. е. м. – это одна двенадцатая часть массы атома углерода , т. е. масса этого изотопа углерода равна точно а. е. м.

В атомных единицах можно выразить массы протона (), нейтрона (), электрона ().

Соотношение между единицей СИ (кг) и а. е. м. можно получить из массы протона в кг () и в атомных единицах массы.

Откуда

Эквивалентность массы и энергии позволяет выразить атомную единицу массы в энергетических единицах СИ (в джоулях):

т. е.

А также в электрон-вольтах:

Рассмотрим для примера ядерную реакцию, вызываемую попаданием быстрого протона (с энергией ) в ядро лития.

В этой реакции литий расщепляется на две частицы, которые разлетаются с высокой скоростью. Сумма кинетических энергий двух частиц оказывается больше энергии вступившего в реакцию протона. Давайте посчитаем выделившуюся энергию. атомная единица массы в энергетических единицах соответствует .

Масса ядра лития:

Масса протона:

Масса ядра гелия:

Энергия покоя ядер и частиц до реакции:

Энергия покоя после реакции

Выделившаяся в реакции энергия

Эта энергия называется энергией выхода ядерной реакции.

Общее определение для энергии выхода звучит так: энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Этот выход равен изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции. Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае реакция идет с поглощением энергии. 

Распад ядер урана. Ядерный реактор. Термоядерные реакции

Рассмотрим ядерные реакции урана, индуцированные нейтронами.

В случае урана этот процесс выглядит так.

Продукты реакции – барий-, криптон- и нейтрона.

Это только одна из возможных реакций деления ядра урана. Например, есть другая реакция.

Её продукты – ксенон-, стронций- и нейтрона.

Как видим, в числе продуктов реакции присутствуют несколько нейтронов. В некоторых из подобных реакций может производиться и нейтронов.

В среднем в реакциях деления ядра урана выделяется нейтрона на одно деление. Это позволяет сделать реакции самоподдерживающимися. Нейтроны, образовавшиеся при делении ядра урана, могут вызвать деление еще нескольких ядер и т. д. – такие реакции называются цепными реакциями.

При неуправляемой цепной реакции количество делений растет в геометрической прогрессии и за каждую микросекунду может возрастать в тысячу раз. При средней энергии, выделяемой за одно деление МэВ, цепная ядерная реакция производит гигантское количество энергии, что и используется в атомных бомбах.

Используя вместе с ураном материалы, которые поглощают нейтроны и не делятся, можно ограничить количество нейтронов вблизи способных делиться ядер. Таким образом можно достичь такого режима, что в среднем при делении ядра будет испускаться только нейтрон. В этом случае геометрического роста делений, т. е. взрыва, не будет. На этом принципе работают реакторы атомных электростанций. 

Подробнее о них вы можете узнать в ответвлении.

Масса покоя урана больше суммы масс покоя фрагментов, на которые он делится. Но для легких ядер ситуация противоположная. Масса покоя гелия значительно меньше масс покоя ядер дейтерия и трития, на которые можно разделить ядро гелия. Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, выделяется энергия.

Такие реакции трудноосуществимы, потому что сливающиеся ядра должны сблизиться до расстояний порядка  м, чтобы попасть в область действия ядерных сил. Этому, естественно, препятствует кулоновское отталкивание ядер. Чтобы его преодолеть сливающиеся ядра должны иметь большую кинетическую энергию, а значит, в зоне реакции должна быть очень высокая температура.

Такие реакции называют термоядерными.

Термоядерная реакция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения. Термоядерные реакции протекают в звездах, в глубине которых огромные давления и температуры создают необходимые условия для таких реакций.

Энергия, излучаемая Солнцем, имеет термоядерное происхождение.           

Пример термоядерной реакции – слияние дейтерия с тритием:

В этой реакции выделяется энергии.

Стоит отметить что, в термоядерных реакциях не образуются радиоактивные отходы.

Выполним несколько заданий.

Деление ядра урана тепловыми нейтронами описывается реакцией:

При этом образовалось ядро  химического элемента. Какое ядро образовалось?

В ядерной реакции должны выполняться законы сохранения массы и заряда.

То есть сумма зарядовых чисел в правой части реакции должна равняться сумме зарядовых чисел в левой части реакции – отсюда найдем .

Сумма массовых чисел в правой части реакции должна равняться сумме массовых чисел в левой части реакции – отсюда найдем .

По  и  установим какое образовалось ядро. кванты не учитываем – у них нет ни заряда, ни массы.

Решение

Ответ:

При давлении около  в недрах звёзд становится возможной реакция нейтронизации – процесс, обратный распаду. Определите, что может быть продуктом такой реакции:

Последний продукт этой реакции – электронное нейтрино – не имеет электрического заряда и более чем в миллион раз легче электрона.

2. Тритий       

3. Дейтерий  

4. Три нейтрона

При определении массы и заряда искомого продукта электронное нейтрино можно не учитывать (у него нет заряда и пренебрежимо малая масса).

Применив законы сохранения массы и заряда, мы сможем определить искомый продукт реакции.

Обозначим продукт

Запишем закон сохранения массы:

Запишем закон сохранения заряда:

Следовательно – полученный продукт

– тритий.

Правильный вариант ответа – второй.

Заключение

На сегодняшнем уроке мы рассматривали явление радиоактивности, структуру и превращения ядер, энергетические характеристики ядерных реакций, производство ядерной энергии.

Для успешного выполнения заданий по этим темам вам необходимо:

Знать

1. Что такое радиоактивность, период полураспада, изотопы, нуклоны.

2. Что такое , и распады.

3. Состав и структуру ядра, природу энергии связи ядра.

4. Что такое ядерный распад и ядерный синтез.

Уметь

1. Составлять уравнения ядерных реакций и находить неизвестный компонент реакции.

2. Определять количество нераспавшихся радиоактивных ядер, зная период полураспада или скорость распада.

3. Определять тип ядерного распада (, и ). 

Понимать

1. Различие между спонтанными распадом и делением ядер и ядерными индуцированными реакциями.

2. Принцип цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер.

3. Роль дефекта массы в энергии связи ядра, в энергетическом выходе ядерной реакции.

Мы рассмотрели все теоретические разделы и на следующем уроке приступим к повторению пройденного материала.