Без формул

Электронный учебник, в котором изложены основы физики для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по физике и не только.

С формулами

Базовые понятия, законы и формулы из основных областей физики.

Состав атомного ядра. Ядерные реакции

1. Экспериментальное изучение строения атомного ядра осуществлял Резерфорд. Он облучал ​\( \beta \)​-частицами атомы азота и других элементов. При этом из ядер азота вылетали ядра водорода ​\( {}^1_1He \)​. Резерфорд предположил, что эти частицы входят в состав атомного ядра, В дальнейшем их назвали протонами и стали условно обозначать ​\( {}^1_1p \)​.

Было также экспериментально доказано, что существует еще одна частица, которая входит в состав ядра любого элемента. Эта частица не имеет электрического заряда и потому на неё не действует ни электрическое, ни магнитное поле. Её назвали нейтроном, обозначается эта частица буквой ​\( {}^1_1n \)​. Масса нейтрона приблизительно равна массе протона.

Результаты этих и других экспериментов послужили основанием для создания протонно-нейтронной модели ядра, согласно которой ядро любого элемента состоит из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны.

То, что ядра химических элементов устойчивы, нельзя объяснить гравитационным взаимодействием нуклонов:

  • оно слишком мало, поскольку мала масса нуклонов;
  • электромагнитное взаимодействие между этими частицами отсутствует, так как нейтрон не имеет электрического заряда. Соответственно, между нуклонами в ядре действуют силы другой природы. Их называют ядерными силами, они характеризуют взаимодействие, называемое сильным. Ядерное взаимодействие очень сильное, но существует на малых расстояниях.

Поскольку атом в целом нейтрален, то число протонов равно числу электронов, а суммарный заряд протонов равен по модулю суммарному заряду электронов, т.е. ​\( Z\cdot e \)​, где ​\( Z \)​ — порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева или зарядовое число. Сумму числа протонов и числа нейтронов в ядре называют массовым числом, которое обозначается буквой ​\( A \)​. Число нейтронов ​\( N \)​ равно разности между массовым числом и зарядовым числом или: ​\( A=Z+N \)​.

Ядро атома обозначается символом химического элемента; перед символом наверху пишут массовое число, а внизу зарядовое число. Например: в ядре атома лития ​\( {}^7_3Li \)​ содержится: протонов ​\( Z=3 \)​ и нейтронов ​\( N=A-Z=4 \)​.

Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное число нейтронов. При этом они имеют одинаковое зарядовое число, но разное массовое число. Например, ядра ​\( {}^{235}_{92}U \)​ и \( {}^{238}_{92}U \) имеют по 92 и 143 и 146 нейтронов соответственно. Элементы, имеющие одинаковое зарядовое число и разные массовые числа называются изотопами.

2. Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом.

В процессе радиоактивного распада испускается альфа- и бета-излучение. Эти процессы называются соответственно альфа- и бета-распады.

Альфа-распад — превращение ядра ​\( X \)​ в новое ядро ​\( Y \)​ при испускании ​\( \alpha \)​-частицы. Реакция ​\( \alpha \)​-распада выглядит следующим образом ​\( {}^A_ZX\to{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^4_2He \)​. В результате альфа-распада образуется ядро элемента, порядковый номер которого на 2 меньше, чем исходного, а массовое число на 4 меньше, чем исходного, т.е. в таблице Д.И. Менделеева элемент смещается на две клетки к её началу.

Примером альфа-распада может служить реакция превращения изотопа протактиния \( {}^{231}_{91}Pa \) в изотоп \( {}^{227}_{89}Ac \):\( {}^{231}_{91}Pa\to {}^{227}_{89}Ac+{}^4_2He \)

Бета-распад — превращение ядра ​\( X \)​ в новое ядро ​\( Y \)​ при испускании электрона. Реакция ​\( \beta \)​-распада выглядит следующим образом \( {}^A_ZX\to{}^{A}_{Z+1}Y+{}^0_{-1}e \). В результате бета-распада зарядовое число нового элемента становится на единицу больше, чем исходного, а массовое число не изменяется. Новый элемент смещается в таблице Д.И.Менделеева на одну клетку к её концу.

Примером бета-распада может служить реакция превращения изотопа бора ​\( {}^{14}_5B \)​ в изотоп углерода \( {}^{14}_6C \): ​\( {}^{14}_{5}B\to {}^{14}_{6}C+{}^{0}_{-1}e \)

3. В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы qода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада ​\( T \)​ называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4·108 атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа йода, т.е. 2·108 ядер, а 2·108 ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 108 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5·108 ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти вовремя одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

4. Все реально происходящие ядерные реакции подчиняются закону сохранения массового числа и закону сохранения зарядового числа.

Например, осуществлена ядерная реакция ​\( {}^{25}_{12}Mg+{}^1_1p\to{}^{22}_{11}Na+? \)​, в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 — 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 — 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид: \( {}^{25}_{12}Mg+{}^1_1p\to{}^{22}_{11}Na+{}^4_2He \).

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Ядро атома состоит из

1) протонов и электронов
2) нейтронов и протонов
3) нейтронов и электронов
4) только протонов

2. Ядро аргона ​\( {}^{40}_{18}Ar \)​ содержит

1) 40 протонов и 22 нейтрона
2) 40 протонов и 18 нейтронов
3) 18 протонов и 40 нейтронов
4) 18 протонов и 22 нейтрона

3. Период полураспада ядер изотопа кальция составляет 164 суток. Это означает, что

1) каждые 164 суток распадается одно ядро атома кальция
2) все исходные ядра атомов кальция распадутся за 328 суток
3) половина всех исходных ядер атомов кальция распадётся за 164 суток
4) массовое число ядра кальция уменьшится в 2 раза за 164 суток

4. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией ​\( \beta \)​-распада?

А. ​\( {}^{15}_7N+{}^1_1p\to{}^{12}_{6}C+{}^{4}_{2}He \)
Б. \( {}^{14}_5B\to{}^{14}_{6}C+{}^{0}_{-1}e \)

1) только А
2) и А, и Б
3) только Б
4) ни А, ни Б

5. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией «-распада?

А. ​\( {}^{13}_7N\to{}^{13}_{6}C+{}^{0}_{1}e \)
Б. \( {}^{112}_{54}Xe\to{}^{108}_{52}Te+{}^{4}_{2}He \)

1) только А
2) и А, и Б
3) только Б
4) ни А, ни Б

6. Период полураспада ядер изотопа 3,8 дня. Через какое время масса родона уменьшится в 4 раза?

1) 3,8 дня
2) 7,6 дня
3) 11,4 дня
4) 15,2 дня

7. В результате альфа-распада изотопа азота ​\( {}^{16}_{7}N \)​ образуется изотоп бора ​\( {}^{12}_{5}B \)​. Правильно записана реакция

1) ​\( {}^{16}_7N\to{}^{12}_{5}B+{}^4_2He \)
2) \( {}^{16}_7N\to{}^{12}_{5}B+{}^1_0n \)
3) \( {}^{16}_7N\to{}^{12}_{5}B+{}^1_1p \)
4) \( {}^{16}_7N\to{}^{12}_{5}B+{}^0_{-1}e \)

8. В результате бомбардировки изотопа лития ​\( {}^7_3Li \)​ ядрами дейтерия образуется изотоп бериллия: \( {}^{7}_3Li+{}^2_1H\to{}^{8}_{4}Be+X \)​. Какая при этом испускается частица?

1) электрон ​\( {}^0_{-1}e \)
2) протон \( {}^1_{1}p \)
3) а-частица \( {}^4_{2}He \)
4) нейтрон \( {}^1_{0}n \)

9. Какая частица взаимодействует с ядром бора в следующей ядерной реакции: \( {}^{10}_5B+?\to{}^{7}_{3}Li+{}^{4}_{2}He \)?

1) протон \( {}^1_{1}p \)
2) нейтрон \( {}^1_{0}n \)
3) электрон \( {}^0_{-1}e \)
4) а-частица \( {}^4_{2}He \)

10. Используя фрагмент Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате ​\( \alpha \)​-распада ядра нептуния-237.

1) ядро протактиния
2) ядро урана
3) ядро америция
4) ядро плутония

11. Установите соответствие между частицей (в левом столбце таблицы) и её зарядом (в правом столбце таблицы). В таблице под номером частицы левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ЧАСТИЦА
А. Электрон
Б. Протон
В. Нейтрон

ЗАРЯД ЧАСТИЦЫ
1. Положительный
2. Отсутствие заряда
3. Отрицательный

12. Происходит ядерная реакция \( {}^{14}_5B\to{}^{14}_{6}C+{}^{0}_{-1}e \). Как изменилось число протонов, число нейтронов в ядре атомов углерода по сравнению с ядром бора? Установите соответствие между частицей (в левом столбце таблицы) и её зарядом (в правом столбце таблицы). В таблице под номером частицы левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ЧАСТИЦА
А) Число нейтронов
Б) Число протонов

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) Увеличилось
2) Уменьшилось
3) Не изменилось

Ответы

Состав атомного ядра. Ядерные реакции
Оценка

Добавить комментарий

avatar
480
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить