Классы
Предметы

Строение атома и ядра

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонемент
У вас уже есть абонемент? Войти
Строение атома и ядра

На уроке мы рассмотрим природу возникновения энергии при разделении атома, изучим подробное строение атома и его ядра, а также познакомимся с радиоактивностью.

Энергия атома

В процессе фотосинтеза растения получают энергию от Солнца посредством электромагнитного излучения и преобразуют ее в энергию химических связей органических веществ. На самом деле, и животные, и люди, и множество созданных ими механизмов тоже в конечном счете получают энергию от Солнца. Только не напрямую, а косвенно – путем ряда превращений. И речь не только о том, что под солнечными лучами можно погреться или получить электроэнергию от солнечной батареи.

Например, мышцы животных и человека совершают работу благодаря энергии распада питательных веществ, которые содержатся в пище. А энергетически ценная пища – это либо непосредственно растения, которые заключили в питательных веществах солнечную энергию, либо животные, которые получили питательные вещества от растений.

Человек издавна использует энергию ветра и движения воды, начиная от ветряных или водяных мельниц и заканчивая современными электростанциями. Если рассмотреть цепочку преобразований энергии в этих устройствах, то она тоже приведет нас к Солнцу. Ветер образуется при перепадах давления воздуха, а они возникают при неравномерном нагреве воздуха Солнцем. Реки являются частью круговорота воды, который тоже был бы невозможен без Солнца (рис. 1), его вы изучали на уроках географии.

Рис. 1. Круговорот воды в природе


 

Все ли дороги ведут к Солнцу?

Мы разобрали примеры, которые подтверждают правило: почти вся энергия, которую мы используем, берет начало от Солнца. Почти вся, поскольку есть исключения.

Ветер возникает из-за перепада давления, спровоцированного неравномерным нагревом атмосферы от Солнца, но, кроме нагрева, на ветрообразование влияет вращение Земли. Из-за вращения Земли, например, пассаты направлены именно так (рис. 2)[М1] .

Рис. 2. Циркуляция атмосферы

Есть местности, где подземные воды подогреваются горячей магмой, если водоносный слой в этой местности расположен близко к ее слою. Такие подогретые воды образуют геотермальные источники, на энергии которых работают электростанции, в том числе в России, или энергией которых отапливают дома, как это сделали в столице Исландии. Происходит ли эта энергия от Солнца – скорее нет, это вопрос к истории, как образовывались планеты Солнечной системы.

Такие исключения есть: ветер дует, и вода нагревается не только из-за Солнца – но сегодня мы столкнемся кое с чем принципиально новым, о чем речь еще не шла.


Среди источников энергии огромная доля приходится на топливо: древесину, торф, уголь, газ, нефть. Это все органические вещества и материалы. С древесиной все ясно, а по поводу происхождения горючих полезных ископаемых есть разные теории. В основном они сходятся на растительном и животном происхождении, и по этой цепочке снова придем к фотосинтезу и электромагнитному излучению от Солнца.

Сегодня мы рассмотрим принципиально другой способ получения энергии: человек научился расщеплять атом и использовать выделяющуюся при этом энергию. Это первый случай, когда человек использует не преобразованную солнечную энергию, а извлекает энергию, проникнув глубже, внутрь атома. А ведь само слово «атом» означает «неделимый», каким его раньше считали.

Мы привыкли наблюдать явления макромира, в котором деление объекта на части не приводит к высвобождению большого количества энергии. Почему же при расщеплении атома выделяется энергия, что за энергия там заключена? Вы уже знаете, что носители электрического заряда – это протоны и электроны. Протоны содержатся в массивном атомном ядре, а электроны движутся вокруг ядра и могут от атома отделяться.

Одноименные заряды отталкиваются друг от друга: чем ближе они находятся, тем сильнее отталкиваются, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния (математически это выражается законом Кулона, рис. 3).

Рис. 3. Закон Кулона

Почему тогда протонам, которые компактно расположены в ядре и отталкиваются друг от друга с большой силой, не разлететься? Забегая вперед, скажем, что есть силы, называемые ядерными, которые держат их вместе. И если это взаимодействие нарушить, то части ядра действительно оттолкнутся друг от друга и приобретут большую кинетическую энергию.

Представьте себе две сжатые пружины, которые мы связали веревкой. Если разрезать веревку, то пружины разлетятся, энергия сжатия пружин выделится в виде кинетической энергии. Что-то похожее мы делаем с атомным ядром: есть некий порог, до которого ядро остается стабильным и после которого оно распадается с выделением энергии.

Радиоактивность. Виды излучений

Мы сегодня уже упоминали модель, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, небольшого по сравнению с размером атома, и движущихся вокруг него электронов (см. рис. 4).

Рис. 4. Строение атома

Увидеть структуру атома нельзя, он слишком мал для оптического микроскопа. Один из вариантов – чем-то его «прощупать». Представьте, что перед вами препятствие и вы его не видите и не знаете его структуру: это крупная решетка, мелкая сетка или вообще стекло. Можно поводить по нему струей воды, и по тому, как вода будет разбрызгиваться, мы сделаем вывод о препятствии (см. рис. 5).

Рис. 5. Модель структуры атома

В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что от некоторых веществ, например урана и радия, самопроизвольно исходит некое неизвестное ранее излучение, которое назвали радиоактивным, а свойство атома его испускать – радиоактивностью. Это излучение обнаружили потому, что оно засвечивало фотопластинки.

Удачной идеей было проверить, взаимодействует ли это излучение с магнитным полем. Если лучи представляют собой поток заряженных частиц, то магнитное поле должно действовать на эти движущиеся частицы с силой Лоренца, и это можно обнаружить. Давайте мысленно проведем этот эксперимент.

Поместим крупицу радия в толстостенный свинцовый сосуд с узким отверстием, чтобы исходящее от частицы радиоактивное излучение выходило из него тонким пучком (к тому времени уже было обнаружено, что слой свинца не пропускает радиоактивное излучение). На пути луча поместим фотопластинку, которая темнеет в том месте, куда попадает излучение. А до пластинки поместим магнит так, чтобы луч находился в магнитном поле (см. рис. 6).

Рис. 6. Радиоактивное излучение в магнитном поле

В результате на фотопластинке увидели три пятна. Это значит, во-первых, что излучение неоднородно, разные составляющие этого пучка повели себя в магнитном поле по-разному. Второй важный вывод: радиоактивное излучение содержит заряженные частицы. При движении заряженной частицы в магнитном поле возникает сила Лоренца, направленная перпендикулярно направлению движения частицы, и частица отклоняется от прямолинейной траектории. Так как часть пучка отклонилась в одну сторону, а часть – в другую, значит, заряд этих частиц противоположного знака: одни положительные, другие отрицательные. А та часть пучка, которая не отклонилась, заряженных частиц не содержит.

Обнаруженные разновидности радиоактивного излучения назвали α-, β- и γ-излучением: соответственно положительно, отрицательно заряженные частицы и электрически нейтральное излучение.


 

Что такое γ-частицы?

С α- и β-частицами все ясно: α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, а β-частица – это электрон.

Что же такое γ-излучение? Это электромагнитное излучение высокой частоты, даже выше, чем частота рентгеновского излучения. Оказывается, электромагнитное излучение в ходе некоторых экспериментов проявляет свойства потока частиц, мы в старших классах рассмотрим это явление. Эти свойства более выраженно проявляются в случае излучения с высокой частотой. Наверняка вы слышали слово «фотон» – это частица света. То есть свет тоже можно считать электромагнитной волной, а можно – потоком частиц-фотонов – он проявляет и те, и те свойства. Сейчас это может показаться удивительным, позже мы разберемся в этом подробнее. А пока нам достаточно понимать, что γ-излучение можно назвать электромагнитной волной, а можно – потоком легких электрически нейтральных γ-частиц, движущихся со скоростью света.


Какой из этого важный вывод? Допустим, нам показали какую-то деталь, которая, на первый взгляд, представляет собой цельный литой кусок металла. Но если мы увидим, что из нее выпадают болты, какие-то еще структурные части, значит, деталь не литая, она разбирается на части.

Поскольку от атома отделяются разные частицы, значит, его тоже можно «разобрать» на части, из которых он состоит.

Дальнейшие исследования показали, что α-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. β-частица – это электрон, а γ-излучение – это электромагнитное излучение, частота которого даже выше, чем у рентгеновского (см. рис. 7).

Рис. 7. Виды излучения

О том, что радиация опасна для живых организмов, говорят постоянно. В частности, когда обсуждают последствия аварий на атомных электростанциях, взрывов ядерного оружия и просто незащищенного нахождения рядом с радиоактивными веществами.

Теперь мы знаем, что из себя представляет радиоактивное излучение, поэтому можем проследить, какие физические процессы происходят при его взаимодействии с веществом. А это нужно понимать, чтобы суметь защититься от опасных последствий.

Свойства радиации

Итак, представьте: частица радиоактивного излучения движется с большой скоростью и достигает вещества. Размеры частицы соизмеримы с размерами отдельных атомов и молекул. Поэтому есть смысл рассматривать их взаимодействие.

При столкновении частицы радиоактивного излучения с молекулой вещества (а молекула состоит из атомов), кинетической энергии частицы может хватить даже для того, чтобы спровоцировать распад атомного ядра. Это зависит от скорости частицы и от бомбардируемого вещества. Но это происходит в редких случаях. На что энергии частицы наверняка хватает – это на отделение электрона от атома (или молекулы, если атомы соединены в молекулу). Так атом или молекула приобретает положительный заряд, то есть становится ионом.

Электрон в веществе может присоединиться к другому атому, который станет ионом; могут нарушаться химические связи в молекуле. Но если не вдаваться в подробности всех этих процессов, можно упрощенно свести их к ионизации вещества – образованию ионов. Поэтому радиоактивное излучение называют также ионизирующим.

Рис. 8. Ионизация

В том месте в веществе, куда попадает ионизирующее излучение, возникают ионы, и этот факт можно использовать, чтобы отслеживать и само наличие излучения, и даже траектории ионизирующих частиц. Как это реализуется в приборах для исследования частиц – об этом подробнее в ответвлении.


 

Методы исследования частиц: счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера

Непосредственно увидеть частицы ионизирующего излучения мы не можем. Как их выявить? На пути частицы в веществе образуются ионы. Увидеть ионы мы тоже не можем, но можем выявить их косвенно по их проявлениям. Как? Придумали несколько способов.

Ионы – это носители заряда, значит, при наличии ионов в газе может протекать ток. Возьмем герметичную стеклянную трубку, поместим в нее два электрода (их обычно делают в форме цилиндра и нити, рис. 9) и подадим на них высокое напряжение в несколько сотен вольт. Заполним трубку разреженным газом (чаще всего аргоном). Ток между электродами изначально не протекает. Но как только в трубку влетает ионизирующая частица, она ионизирует один или несколько атомов газа. Образовавшиеся носители заряда начинают двигаться в поле между электродами и создают электрический ток. Одна пара ионов не создаст заметного тока, но при высоком напряжении, а значит, сильном поле между электродами ионы будут разгоняться. Подобрано такое напряжение, чтобы ионы разогнались достаточно, чтобы при столкновении с другими атомами газа тоже их ионизировать, спровоцировав так называемую электронно-ионную лавину, которая быстро затухает, и прибор готов регистрировать следующую частицу. Таким образом, этот «всплеск» тока означает регистрацию ионизирующей частицы. Мы описали принцип работы счетчика Гейгера. Осталось включить в схему динамик, который при импульсе тока, а значит, при регистрации ионизирующей частицы будет издавать звук. Возможно, вы слышали характерное потрескивание счетчика Гейгера.

Рис. 9. Счётчик Гейгера

Регистрировать ионизирующие частицы можно по-другому. Возьмем сосуд с перегретой жидкостью. Вы помните: это жидкость, которая нагрета до температуры выше температуры кипения, но которая не закипает, потому что в ней нет пузырьков газа и других неоднородностей, провоцирующих закипание. Так вот, ионы могут быть такой неоднородностью. Поэтому, когда через перегретую жидкость пролетает ионизирующая частица, она оставляет за собой видимый след из пузырьков пара. Теперь можно не просто зарегистрировать сам факт наличия ионизирующей частицы, но и проследить ее траекторию, а еще добавить внешнее магнитное поле и следить, как это поле действует на частицу (рис. 10). Описанный прибор назвали пузырьковой камерой.

Рис. 10. Пузырьковая камера

В качестве перегретой жидкости используется, например, жидкий водород, что усложняет конструкцию прибора – его реализовали только в 1952 году. До этого вместо перегретой жидкости использовали перенасыщенный пар. Прибор на перенасыщенном паре называется камерой Вильсона. Пролетающая через такую камеру, частица оставляет за собой след из ионов, которые провоцируют конденсацию пара. В итоге мы наблюдаем след из капелек жидкости.


Для живых организмов опасность радиоактивного излучения как раз в том, что оно проникает в ткани и клетки и вызывает различные нарушения на молекулярном уровне. Образуются химически активные ионы, которые нарушают нормальный ход химических реакций в клетках, нарушаются химические связи в важных для жизнедеятельности молекулах. И так как живой организм – это сложная система, эти нарушения влекут за собой целую цепочку губительных процессов, на которых мы подробно останавливаться не будем.

Говорить о самом факте, что облучение вредно, недостаточно. Облучение нужно оценивать количественно. Есть дозы, несовместимые с жизнью. Но если в организм попадет одна ионизирующая частица, вреда она не нанесет. Мы ежедневно получаем небольшие дозы облучения, поскольку радиоактивные вещества в небольших количествах есть в окружающей нас природе, они содержатся даже внутри нашего организма. Также ионизирующее излучение попадает к нам из космоса, и это нормально, в таких условиях развивалась жизнь. Где же грань между безвредной и опасной дозами?

Причиненный организму вред можно оценить, зная энергию ионизирующего излучения, поглощенную каждым килограммом вещества (в частности, тканей организма). Эту величину назвали поглощенной дозой излучения и обозначили буквой D, запишем:

Единицу измерения поглощенной дозы излучения назвали грей:


 

Внесистемные единицы измерения поглощенной дозы излучения

Поглощенную дозу излучения в СИ измеряют в греях, грей – это Дж/кг. Понятно, что слишком большие или слишком малые значения можно переводить в кратные единицы: миллигрей, микрогрей, мегагрей и т. д.

Так как мы на практике часто встречаемся со значениями порядка 0,01 Гр, ввели единицу поглощенной дозы рад, . Это внесистемная единица, и от ее широкого использования в последнее время отказываются, но иногда значения в радах еще можно встретить.

Иногда удобно оперировать не энергией, поглощенной килограммом вещества, а зарядом, который образуется в единице объема воздуха (ведь происходит ионизация). Эту величину назвали экспозиционной дозой облучения и применяют ее, говоря о рентгеновском и гамма-излучении. За единицу измерения экспозиционной дозы облучения приняли 1 рентген, это внесистемная единица измерения, мы даже не будем останавливаться на том, чему она равна в СИ. Скажем лишь, что для расчетов можно приближенно считать что экспозиционная доза облучения 1 Р соответствует поглощенной дозе излучения .


До этого мы не уточняли, какие именно ионизирующие частицы взаимодействуют с веществом. Механизм воздействия у них один и тот же: частица сталкивается с атомом или молекулой и ионизирует их. Но выглядит логичным, что должна быть разница, столкнулась ли с молекулой легкая β-частица, тяжелая α-частица или порция γ-излучения. Кроме того, при радиоактивном распаде может выделяться поток нейтронов.

Путем расчетов и наблюдений определили, что при одной и той же поглощенной дозе α-излучение наносит вред в 20 раз больший, чем γ-излучение. Вред от потока быстрых нейтронов в 10 раз больше, чем от γ-излучения, а от β-излучения такой же, как от γ-излучения. Чтобы это учесть, ввели коэффициент качества , на который нужно умножить поглощенную дозу излучения. Для β- и γ-излучения , для нейтронов , для α-излучения . Полученную величину  назвали эквивалентной дозой и обозначили :

Единицу измерения эквивалентной дозы назвали зиверт:


 

Коэффициент радиационного риска

Мы подсчитали поглощенную дозу излучения, предположим, получили . Излучение представляет собой β-излучение, и мы это учли: коэффициент качества для β-излучения , получили эквивалентную дозу .

Достаточно ли информации, чтобы оценить ущерб здоровью при такой дозе? Может оказаться недостаточно. Логично предположить, что есть разница, поглощена эта доза легкими, кожей или мозгом. Действительно, разные органы обладают разной чувствительностью к облучению. Чтобы это учесть, ввели коэффициент радиационного риска для разных органов. Например, для легких и желудка он равен 0,12, а для кожи 0,01. Эти коэффициенты рассчитываются так, чтобы сумма всех коэффициентов для организма была равна 1.

Коэффициенты радиационного риска – это оценка вероятности возникновения заболеваний, например рака, и эта оценка достаточно приблизительная. Поэтому таблица этих коэффициентов раз в несколько лет уточняется.


У разных типов излучения разная проникающая способность. Это естественно: легкие и маленькие электроны легче проникают сквозь вещество, чем намного более тяжелые и большие α-частицы. Еще легче проникнуть порции электромагнитного γ-излучения. Это важно знать, чтобы защититься от излучения.

α-излучение не проходит даже через слой бумаги, одежду и неглубоко проникает в кожу. Оно представляет большую опасность при попадании непосредственно внутрь организма через пищу, воздух или открытые раны. Для поглощения β-частиц нужна более толстая преграда, например несколько миллиметров алюминия. А в живые ткани они могут проникать на глубину около 1–2 см. Наибольшей проникающей способностью обладает γ-излучение, оно задерживается толстым слоем свинца или бетона (см. рис. 11). С этим расчетом проектируются стены ядерных реакторов.

Рис. 11. Проникающая способность радиоактивного излучения

Строение атома

В видах частиц, которые испускает атом, мы разобрались и даже обсудили биологическое воздействие излучения. Теперь разберемся со строением самого атома. Мы уже обсудили, что удобный инструмент для исследования структуры вещества – поток α-частиц.

Серию экспериментов по этим исследованиям в 1911 году провел британский физик Эрнест Резерфорд. Он поместил в сосуд вещество, которое испускает α-частицы, чтобы сформировать пучок частиц. Эти частицы невидимы, поэтому для их обнаружения использовался экран, покрытый слоем вещества, которое светится при попадании α-частицы. Таким образом, их можно обнаружить по вспышкам.

На пути пучка поместили тонкую металлическую фольгу и откачали воздух, чтобы α-частицы взаимодействовали только с атомами фольги. Помещая экран с разных сторон от фольги, можно обнаруживать частицы, которые отклонялись от прямолинейной траектории (см. рис. 12).

Рис. 12. Опыт Резерфорда

Вот что получили в результате: большинство частиц проходили через вещество, почти не отклоняясь. Некоторые частицы отклонялись на угол 30° и более, и очень редкие частицы, примерно одна на 10 000, меняли направление движения на противоположное.

Какие из этого выводы? Отражаться α-частицы могли только от положительно заряженных ядер, в которых сосредоточена значительная масса (см. рис. 13).

Рис. 13. Столкновение альфа-частиц с ядрами вещества

Причем ядра расположены на расстояниях, которые намного превышают их размер, так, что большая часть пространства остается незаполненной, и поэтому большая часть α-частиц прошла сквозь фольгу беспрепятственно.


 

Масштабы микромира

Мы воспринимаем вещество как что-то сплошное. В газах расстояния между молекулами намного больше самих молекул, в жидкостях и твердых телах эти расстояния меньше, в этом мы разобрались еще в 7 классе, когда обсуждали строение вещества. Но вот эксперимент показал, что и сами атомы на самом деле не сплошные и большая часть их объема не заполнена.

О протонах и электронах говорить как о частицах можно лишь приближенно, это одна из простейших моделей. Есть и другие модели, что они ведут себя как некие сгустки энергии, облака и т. д. Что они собой представляют на самом деле – нам своим умом, привыкшим к восприятию макромира, не понять. Поэтому понятия размеров и расстояний стоит использовать с оговорками. Тем не менее для общего представления рассмотрим такую модель.

Представьте: если бы ядро атома было размером с теннисный мячик, электроны вращались бы вокруг него на расстоянии нескольких километров! Так что вещество, можно считать, в основном состоит из пустоты, в которой ядра атомов и электроны – достаточно редкие «вкрапления». И все взаимодействия, которые мы воспринимаем как непосредственный контакт, на самом деле происходят посредством электромагнитного поля.

Это трудно осознать, ведь вот мы щупаем какой-то предмет, и наша рука касается этого предмета без пустоты. Но представьте: вы с закрытыми глазами подносите магнит к другому магниту одноименными полюсами. Вы почувствуете, будто упираетесь во что-то мягкое, вообразите контакт, хотя на самом деле магниты взаимодействуют посредством поля. Так и взаимодействие частиц посредством полей на микроуровне мы воспринимаем через привычные нам понятия на макроуровне.


Последующие экспериментальные исследования состава ядра дополнили модель атома и привели ее в такой вид: атом состоит из положительно заряженного ядра, которое состоит из протонов и электронов, а вокруг него движутся электроны. Состав атомного ядра, а именно количество протонов в нем (а значит, и его заряд), определяет то, какому химическому элементу принадлежит этот атом.

Пока не будем уделять внимание электронам, которые движутся вокруг ядра. Они сравнительно легко могут покидать атом и присоединяться к нему, образуя ионы. Вы помните, что в проводниках, в которых свободными носителями заряда являются электроны, почти от каждого атома отделяется по электрону. Сосредоточимся на строении ядра.

Как обозначать ядра разных химических элементов? Кое-что об этом вы уже говорили на уроках химии. Для каждого химического элемента придумали свое буквенное обозначение, их вы можете найти в таблице химических элементов Менделеева.

Чтобы судить о составе ядра, радом с буквенным обозначением пишут еще два числа: сверху – массовое число, снизу – зарядовое число (см. рис. 14).

Рис. 14. Описание вещества в таблице Менделеева

Зарядовое число (обычно обозначают буквой ) – это заряд ядра в единицах элементарного электрического заряда . Так как заряд протона равен , то есть один элементарный заряд, то зарядовое число показывает количество протонов в ядре. В таблице Менделеева зарядовое число соответствует порядковому номеру элемента.

Массовое число (обычно обозначают буквой ) – это масса ядра в атомных единицах массы, округленная до целых чисел. На уроках химии вы вводили эту единицу измерения массы как 1/12 части массы атома углерода . Так как масса протона и масса нейтрона приблизительно равны 1 а. е. м. (а мы округляем до целых), то массовое число показывает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре – для них еще придумали общее название «нуклоны» от слова nucleus (ядро).

Ядра с одинаковым количеством протонов, то есть ядра одного химического элемента, могут содержать разное количество нейтронов. Такие ядра с разным количеством нейтронов называются изотопами (см. рис. 15).

Рис. 15. Некоторые виды изотопов водорода


 

Задача 1

Определите количество нейтронов в ядре атома .

Мы определились с условным обозначением ядер химических элементов: два числа возле буквенного обозначения – это массовое число  и зарядовое число . Здесь , .

Массовое число – это масса ядра в а. е. м., а поскольку масса протона и масса нейтрона равны по 1 а. е. м., то массовое число показывает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре, об этом мы уже сказали.

Зарядовое число показывает количество протонов в ядре, об этом мы тоже говорили. Поэтому найти количество нейтронов (обозначим его ) легко: нужно от суммы протонов и нейтронов отнять протоны.

В нашем случае:

Задача решена.

Не всегда элементы обозначаются именно так, с двумя числами. Поскольку радий – 88-й элемент в таблице Менделеева и это можно подсмотреть, то понятно, что зарядовое число радия может быть равно только 88, и его можно не писать, оставив запись в таком виде:  – или в таком: радий-226.


Теперь, используя обозначения, мы можем записывать ядерные реакции в виде уравнений. Для этого приведем в соответствие с этими обозначениями некоторые другие частицы, которые могут фигурировать в этих реакциях. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, то есть представляет собой ядро гелия . Электрон мы обычно обозначаем буквой , допишем заряд –1 и массу , если округлить до целых, 0. Протон представляет собой ядро атома водорода . Нейтрон обозначим буквой , его заряд нулевой, а масса – 1 а. е. м.

В результате распада ядра радия-226 образуется ядро радона-222 и α-частица. При бомбардировке ядер азота α-частицами образуется изотоп кислорода-17 и испускается протон. При бомбардировке ядер лития α-частицами образуется изотоп бора-10 и испускается нейтрон.

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения массы и заряда. Суммарное массовое число частиц до реакции равняется суммарному массовому числу после реакции, и то же касается зарядового числа. Зная эти закономерности, можно заполнять пропуски в таких реакциях, потренируемся это делать в ответвлении.


 

Задача 2

Какой элемент образуется при α-распаде ядра урана-238?

В задаче описан распад атомного ядра, будем записывать уравнение ядерной реакции и применять к нему законы сохранения массы и заряда.

Ядро урана-238 распадается на альфа-частицу и ядро какого-то элемента, который мы пока не знаем. Запишем: уран обозначается , 238 – это его массовое число, запишем его сверху. Зарядовое число можно узнать из таблицы Менделеева. Уран – 92-й элемент, записываем зарядовое число внизу.

Неизвестный нам элемент обозначим , массовое и зарядовое числа обозначим  и . Альфа-частица – это ядро гелия .

Теперь запишем, что массовое число частиц до реакции и после реакции сохраняется:

То же запишем для зарядового числа:

Ищем в таблице Менделеева 90-й элемент, это торий. Тогда полностью уравнение реакции будет выглядеть так:

Ответ: торий-234.


 

Список литературы

  1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е изд., передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика, 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Класс!ная физика
  2. Класс!ная физика

 

Домашнее задание

  1. Воспользуйтесь интернет-источниками и выпишите самые большие дозы радиации, которые получают люди, живущие в местах с повышенным радиационным фоном. Попробуйте пояснить, почему эти люди не страдают лучевой болезнью.
  2. Какие изотопы представляют наибольшую опасность на АЭС? Почему?