Формулы ядерные реакции: Ядерные реакции

Ядерные реакции

11.3 Открытие нейтрона и его свойства

    Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции. Рассмотрим сначала свойства нейтрона.
    Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.
    В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была определена.

α + Be → нейтральное излучение (какое?, γ?).

В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.

α + Be →  парафин → p

    Регистрировались протоны отдачи с Е_р = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием каких частиц они образовывались?

    Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Е_γ должна была быть ~ 50 МэВ. γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.
    Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота. Он сравнил эти результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов сохранения энергии

и импульса

m₁v = m₁v₁ + m_p

v_p;

где N − ядро азота; v₁ − скорость нейтральной частицы после столкновения; m₁ − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона

m₁ ≈ m_p.

Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:

α + ⁹Ве → ¹²С+ n.

Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Е_р = 4.3 МэВ.

    Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:

    масса − m_nc² = 939.5 МэВ, m_n = 1.008665 а. е. м.,
    магнитный момент − μ_n = −1.91μ_я,
    спин − J = ћ/2,
    время жизни − τ_n = (10.61 ±0.16) мин,
    среднеквадратичный радиус − <r_n²> = (0.78 ± 0.18)·10^-2 фм².

    Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.

11.4 Источники нейтронов

    Источники нейтронов − это различные ядерные реакции.

Рис. 88: Спектр нейтронов.

    1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция

α + ⁹Ве → ¹²С+ n + 5.5 МэВ.

    Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру
(рис. 88).
    При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они вступают в реакцию с ⁹Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода

12C образуется в основном и возбужденном состояниях.
    Выход нейтронов ~ 10⁷ нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.

    2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.

γ + ²H → p + n, Q = -2.23 МэВ.

    Используется ThC” (²⁰⁸Tl). Он испускает γ-кванты с Е_γ ~ 2. 62 МэВ и Е_n~ Е_р; Т_n ~20 кэВ.

    3.  Фоторасщепление Be фотонами с энергией Е_γ = 1.78 МэВ

γ + ⁹Ве → ⁸Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Т_n~ 100 кэВ.

    4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с E_d = 16 МэВ в реакции

²H + ⁹Be → ¹⁰B + n + 4.3 МэВ.

    Е_n = 4 МэВ, выход 10⁶ нейтронов в секунду.

    5.  Реакция ²H + ²H → ³Не + n + 3.2 МэВ,
    D + D (лед из тяжелой воды), i?n = 2.5 МэВ.

    6.  Облучение дейтонами трития

²H + ³H → ⁴Не + n + 17.6 МэВ.

    Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии E

d = 0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Е_n ~ 14 МэВ.
    Этот источник нейтронов используется в геологии.

    7.  В реакциях срыва под действием дейтонов с E_d ~ 200 МэВ на тяжелых ядрах образуются n с
Е_n ~ 100 МэВ.

11.5 Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция

    Самый мощный источник нейтронов − ядерные реакторы − устройства, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления.
    В  реакторе происходит деление ядер U и образуются нейтроны с Е_n

от 0 до 13 МэВ, интенсивность источника 10¹⁹ нейтронов/с см2. Процесс деления идет под действием нейтронов, беспрепятственно проникающих в ядра из-за отсутствия кулоновского потенциального барьера.
    При делении ядра образуются радиоактивные осколки и испускается 2-3 n, которые снова вступают в реакцию с ядрами U; идет цепной процесс (рис. 89).

n + ²³⁵U → ²³⁶U → ¹³⁹La + ⁹⁵Мо + 2n

Рис. 89: Иллюстрация деления ядра 235U.

    Для описания процесса деления ²³⁵U используется модель жидкой капли, в которой работает формула Вайцзеккера.

После попадания нейтрона в ядро урана происходит конкуренция между поверхностной энергией нового ядра и энергией кулоновского расталкивания. В итоге под действием кулоновских сил ядро делится на два более легких ядра.
    Энергия Q, освобождающаяся при делении ядра (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

вычисляется с использованием формулы Вайцзеккера

Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2^1/3)·а_сим·A^2/3 + (1 − 2^2/3)·а_кул·Z²·A^-1/3;

Q (МэВ) = -4.5A^2/3 + 0.26·Z

2A^-1/3, ε −  удельная энергия связи: Е_св/А. Для ядра ²³⁵U Q = 180 МэВ.

Рис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E0 − основное состояние, E0 + Еа − возбужденное состояние, Еа − энергия активации.

    Для того, чтобы ядро разделилось, в него должна быть внесена энергия Е > Е_а, где Е_аРис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E

0 − основное состояние, E₀ + Е_а − возбужденное состояние, Е_а − энергия активации
(рис. 90).
    Мерой способности ядер к делению служит отношение энергии кулоновского отталкивания протонов к энергии поверхностного натяжения:

где Z²/A − параметр деления, чем он больше, тем легче ядро делится; Z²/A = 49 критическое значение параметра деления.
    Иллюстрация процесса деления ядра приведена на рис. 91.
    В ядерном реакторе процесс деления ядер многократно повторяется в результате образования многих поколений деления. В 1-м акте деления

235U возникает в среднем 2.4 нейтрона. Время жизни одного поколения ~ 10 с. Если происходит рождение K поколений, то образуется ~ 2^K нейтронов через время ~ 2·10^-6 с. Если K = 80, число нейтронов будет 2⁸⁰ ~ 10²⁴ − это приведет к делению 10²⁴ атомов (140 г урана). Выделяющаяся при этом энергия 3·10¹³ вт равна энергии, образующейся при сжигании 1000 тонн нефти.

Рис. 91: Процесс деления ядра, протекающий в ядерном реакторе.

    В реакциях деления энергия выделяется в виде тепла. Отвод тепла из реактора осуществляется теплоносителем, к которому предъявляются особые требования. Он должен обладать большой теплоемкостью, слабо поглощать нейтроны и иметь низкую химическую активность. Не будем обсуждать конструктивные особенности элементов ядерного реактора. Заметим только, что при попадании тепловых нейтронов на ядро

235U образуются быстрые нейтроны, а реакция идет только на медленных нейтронах. Следовательно, необходимо замедлить быстрые нейтроны. Это происходит в замедлителе. В качестве замедлителя используется углерод или тяжелая вода. Остановка процесса деления реализуется с помощью ядер кадмия, которые захватывают образующиеся нейтроны. Таким образом, в конструкцию ядерного реактора обязательно входит замедлитель нейтронов (углерод) и кадмиевые стержни, поглощающие образующиеся нейтроны.
    В реакторах используется природный уран ₂₃₈U (99.3%) и обогащенный ₂₃₅U (0.7%). ²³⁵U делится под действием тепловых нейтронов. ₂₃₈U используется в реакторах на быстрых нейтронах.
    Процессы, происходящие в реакторе, характеризуются следующими вероятностями:
    ν − количество образованных быстрых нейтронов;
    ε − коэффициент размножения быстрых нейтронов;
    Р − вероятность нейтрону дойти до тепловой энергии;
    ƒ − вероятность захвата нейтрона в процессе замедления;
    σ_t/σ_tot − вероятность вызвать реакцию деления.

Произведение этих вероятностей дает оценку коэффициента размножения k тепловых нейтронов в ядерном реакторе:

    Цепная реакция идет, если k > 1; входящие в коэффициент размножения величины имеют следующие значения: ν = 2. 47; ε = 1.02; Р = 0.89; ƒ = 0.88; σ_t/σ_tot = 0.54.
    Таким образом, k_∞ = 1.07 для реактора бесконечных размеров. В реальных условиях к_эф < k_∞, т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
    В реакторах на быстрых нейтронах (²³⁹Ри и ²³⁸U) происходит следующий процесс:

    В результате этой реакции воспроизводится ²³⁹Рu. Образовавшийся плутоний вступает в реакцию с нейтроном: n + ²³⁹Рu, образуется ν = 2.41 нейтронов.
    Число ядер ²³⁹Ри удваивается через каждые 7-10 лет.
    Реакция деления атомных ядер используется для получения атомной энергии. Ядерные реакторы работают на многих атомных электростанциях.

11.6 Реакции слияния, синтез легких ядер

    Другим источником атомной энергии может служить синтез легких атомных ядер. Легкие ядра связаны менее прочно, и при их слиянии в тяжелое ядро выделяется больше энергии. Кроме того, термоядерные реакции чище из-за отсутствия сопровождающих их радиоактивных излучений, чем цепные реакции деления.
    Для получения термоядерной энергии могут быть использованы следующие реакции синтеза:

d + d = ³He + n + 4 МэВ,
d + d = t + р + 3.25 МэВ,
d + t = ⁴Не + n + 17.б МэВ,
³Не + d = ⁴Нe + р + 18.3 МэВ,
⁶Li + 2di = 2 ⁴Не + 22.4 МэВ. J

Рис. 92: Зависимость эффективного сечения слияния ядер от их кинетической энергии. σƒ − сечение реакции.

    Энергия ядер, вступающих в реакцию, должна быть достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. На рис. 92 показана энергетическая зависимость сечений некоторых реакций. Как видно из рисунка, синтез ядер дейтерия d и трития t является наиболее предпочтительным. В этой реакции синтеза низок кулоновский потенциальный барьер и велико сечение взаимодействия при малых энергиях сливающихся ядер. Для протекания реакции необходимо иметь достаточную концентрацию этих ядер в единице объема и достаточную температуру разогретой плазмы.
    Число актов слияния R_ab в единицу времени в единице объема определяется соотношением

R_ab = n_a·n_b·w_ab(T).
w_ab(T) = σ_ab·v_ab,

где n_a, n_b − число ядер a, b; σ_ab − эффективное сечение реакции, v_ab − относительная скорость частиц в плазме, Т − температура. В результате реакции освобождается энергия

W = R_ab·Q_ab·τ,

где R_ab − число актов слияния, Q_ab − энергия, выделившаяся в 1 акте, τ − время.
    Пусть n_a = n_b = 10¹⁵ ядер/см³, Т = 100 кэВ. Тогда W ~ 10³ вт/см³ с.
    В самоподдерживающейся термоядерной реакции должно выделяться больше энергии, чем идет на нагрев и удержание плазмы. Затраты на нагрев n_a = n_b = 2n частиц до температуры Т: 3n·kТ: k − постоянная Больцмана. Таким образом, надо удовлетворить условию:

n²·w_ab·Q_ab·τ > 3nkТ

(высвобождающаяся энергия > энергии нагрева).
    Лоусон сформулировал следующее условие для реакции слияния d + t:

nτ > 10¹⁴ с·см^-3,

где nτ − параметр удержания. На рис. 93 показана зависимость этого параметра от температуры. Реакция идет, если nτ > ƒ(T). Температура Т ~ 2·10⁸ K соответствует энергии 10 кэВ. Минимальное значение параметра удержания nτ = 10¹⁴ с/см³ для реакции d + t достигается при температуре 2·10⁸ K.

Рис. 93: Зависимость параметров удержания от температуры. Заштрихованная область ƒ(Т) − зона управляемого термоядерного синтеза для реакции d + t. • − значения параметров, достигнутые на различных установках к 1980 году.

    Для других реакций:

    Удержание плазмы, имеющей необходимые условия для протекания реакции, реализуется в установках типа Токамак с помощью магнитного поля. Такие установки работают в России и в ряде других стран. Как видно из рис. 93, режим управляемого термоядерного синтеза пока не достигнут.
    Делаются попытки получить необходимые для термоядерного синтеза условия с помощью лазерных установок. В этом случае небольшой объем, в котором заключены ядра дейтерия и трития, обжимается со всех сторон лазерным излучением. При этом ядра дейтерия и трития нагреваются до нужной температуры. Лазерный термояд требует введения коэффициента 100, т.к. велика бесполезная энергия, идущая на накачку лазера.
    Попытки осуществить управляемый термоядерный синтез в лабораторных условиях наталкиваются на ряд трудностей.

1. 1.  До сих пор не удается получить устойчивый режим высокотемпературной плазмы.
2. 2.  Велики энергетические потери в плазме даже из-за малых концентраций примесей атомов с большими Z.
3. 3.  Не решена “проблема первой стенки” в Токамаке, ограничивающей плазму реактора (поток нейтронов ее разрушает).
4. 4.  В природе отсутствует радиоактивный тритий t с периодом полураспада Т_1/2 = 12.5 лет, поэтому существует проблема воспроизводства трития в реакции

n + ⁷Li = α + t + n.

    До сих пор не удалось преодолеть эти трудности и получить управляемую термоядерную реакцию синтеза.
    В естественных условиях реакции термоядерного синтеза протекают на Солнце и в звездах.

Литература

1. 1.  Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.
2. 2.  Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. -М.: УППС, 2002.

Ядерный распад и синтез • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Можно получать энергию как за счет управляемого распада ядер некоторых элементов, так и за счет слияния мелких ядер в более крупные в процессе так называемой реакции термоядерного синтеза.

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc². Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc².

Распад

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (²³⁵U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома ²³⁵U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа ²³⁸U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа ²³⁵U до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра ²³⁵U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер ²³⁵U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см. Критерий Лоусона).

21.2 Ядерные уравнения. Химия 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определять обычные частицы и энергии, участвующие в ядерных реакциях
• Написать и сбалансировать ядерные уравнения

Изменения ядер, которые приводят к изменению их атомных номеров, массовых чисел или энергетических состояний, являются ядерными реакциями. Чтобы описать ядерную реакцию, мы используем уравнение, которое идентифицирует нуклиды, участвующие в реакции, их массовые числа и атомные номера, а также другие частицы, участвующие в реакции.

Типы частиц в ядерных реакциях

Многие существа могут быть вовлечены в ядерные реакции. Наиболее распространены протоны, нейтроны, альфа-частицы, бета-частицы, позитроны и гамма-лучи, как показано на рис. 21.4. Протоны (11p, (11p, также обозначаемые символом 11H)11H) и нейтроны (01n)(01n) входят в состав атомных ядер и были описаны ранее. Альфа-частицы (24He, (24He, также обозначается символом 24α)24α) представляют собой высокоэнергетические ядра гелия. Бета-частицы (-10β, (-10β, также обозначаемые символом -10e)-10e) представляют собой высокоэнергетические электроны, а гамма-лучи представляют собой фотоны очень высокоэнергетического электромагнитного излучения. Позитроны (+10e, (+10e, также представленные символом +10β)+10β) представляют собой положительно заряженные электроны («антиэлектроны»). Нижние и верхние индексы необходимы для балансировки ядерных уравнений, но обычно необязательны в других обстоятельствах. Например, альфа-частица представляет собой ядро ​​гелия (He) с зарядом +2 и массовым числом 4, поэтому она обозначается как 24He.24He. Это работает, потому что, как правило, заряд иона не важен для балансировки ядерных уравнений.

Рисунок 21,4 Хотя в ядерных реакциях встречается много видов, в этой таблице приведены названия, символы, изображения и описания наиболее распространенных из них.

Обратите внимание, что позитроны точно такие же, как электроны, за исключением того, что они имеют противоположный заряд. Они являются наиболее распространенным примером антиматерии, частиц с той же массой, но противоположным состоянием другого свойства (например, заряда), чем обычная материя. Когда антиматерия сталкивается с обычной материей, обе они аннигилируют, а их масса преобразуется в энергию в виде гамма-лучей (γ) и других гораздо более мелких субъядерных частиц, которые выходят за рамки этой главы, в соответствии с уравнением эквивалентности массы и энергии. E = mc ² , как показано в предыдущем разделе. Например, при столкновении позитрона и электрона оба аннигилируют и создаются два фотона гамма-излучения:

−10e++10e⟶γ+γ−10e++10e⟶γ+γ

Как видно из главы, посвященной свету и электромагнитному излучению, гамма-лучи представляют собой коротковолновое, высокоэнергетическое электромагнитное излучение и обладают (намного) большей энергией. чем более известные рентгеновские лучи, которые могут вести себя как частицы в смысле корпускулярно-волнового дуализма. Гамма-лучи представляют собой тип высокоэнергетического электромагнитного излучения, возникающего при переходе ядра из более высокого энергетического состояния в более низкое, аналогично тому, как фотон создается электронным переходом с более высокого на более низкий энергетический уровень. Из-за гораздо большей разницы энергий между ядерными энергетическими оболочками гамма-лучи, исходящие от ядра, имеют энергию, которая обычно в миллионы раз превышает энергию электромагнитного излучения, исходящего от электронных переходов.

Баланс ядерных реакций

Сбалансированное уравнение химической реакции отражает тот факт, что в ходе химической реакции связи разрываются и образуются, а атомы перестраиваются, но общее количество атомов каждого элемента сохраняется и не изменяется. Сбалансированное уравнение ядерной реакции указывает на то, что во время ядерной реакции происходит перегруппировка, но нуклонов (субатомных частиц внутри ядер атомов), а не атомов. Ядерные реакции также подчиняются законам сохранения и уравновешиваются двумя способами:

1. Сумма массовых чисел реагентов равна сумме массовых чисел продуктов.
2. Сумма зарядов реагентов равна сумме зарядов продуктов.

Если известны атомный номер и массовое число всех частиц, кроме одной, в ядерной реакции, мы можем идентифицировать частицу, уравновешивая реакцию. Например, мы могли бы определить, что 817O817O является продуктом ядерной реакции 714N714N и 24He24He, если бы знали, что протон 11H, 11H был одним из двух продуктов. В примере 21.4 показано, как мы можем идентифицировать нуклид, уравновешивая ядерную реакцию.

Пример 21,4

Балансирующие уравнения для ядерных реакций

Реакция α-частицы с магнием-25 (1225Mg)(1225Mg) приводит к образованию протона и нуклида другого элемента. Определите образовавшийся новый нуклид.

Раствор

Ядерную реакцию можно записать так:

1225Mg+24He⟶11H+ZAX1225Mg+24He⟶11H+ZAX

где A — массовое число, а Z — атомный номер нового нуклида, X. Поскольку сумма массовых чисел реагентов должна равняться сумме массовых количеств изделий:

25+4=A+1, или A=2825+4=A+1, или A=28

Точно так же заряды должны быть сбалансированы, поэтому:

12+2=Z+1, и Z=1312 +2=Z+1, и Z=13

Проверьте периодическую таблицу: Элемент с ядерным зарядом = +13 – это алюминий. Таким образом, продукт представляет собой 1328Al. 1328Al.

Проверьте свои знания

Нуклид 53125I53125I соединяется с электроном и производит новое ядро, а не другие массивные частицы. Каково уравнение этой реакции?

Отвечать:

53125I+-10e⟶52125Te53125I+-10e⟶52125Te

Ниже приведены уравнения нескольких ядерных реакций, сыгравших важную роль в истории ядерной химии:

• Первый выделенный в природе нестабильный элемент, полоний, был открыт польским ученым Марией Кюри и ее мужем Пьером в 1898 году. Он распадается с испусканием α-частиц:
• Первым нуклидом, полученным искусственным путем, был изотоп кислорода ¹⁷ O. Он был получен Эрнестом Резерфордом в 1919 году путем бомбардировки атомов азота α-частицами:

  714N+24He⟶817O+11H714N+24He⟶817O+11H

• Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году как ранее неизвестную нейтральную частицу, образовавшуюся вместе с ¹² C в результате ядерной реакции между ⁹ Be и ⁴ He:

  49Be+24He⟶612C+01n49Be+24He⟶612C+ 01н

• Первый элемент, который не встречается в природе на Земле, технеций, был получен путем бомбардировки молибдена дейтронами (тяжелый водород, 12H)12H Эмилио Сегре и Карло Перрье в 1919 г. 37:

  12H+4297Mo⟶201n+4397Tc12H+4297Mo⟶201n+4397Tc

• Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена ​​в реакторе Чикагского университета в 1942 году. Одна из многочисленных реакций была следующей:

21.2: Ядерные уравнения – Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

38340

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

• Определить общие частицы и энергии, участвующие в ядерных реакциях
• Написать и сбалансировать ядерные уравнения

Изменения ядер, которые приводят к изменению их атомных номеров, массовых чисел или энергетических состояний, являются ядерными реакциями. Чтобы описать ядерную реакцию, мы используем уравнение, которое идентифицирует нуклиды, участвующие в реакции, их массовые числа и атомные номера, а также другие частицы, участвующие в реакции. 94_2Не}\). Это работает, потому что, как правило, заряд иона не важен для балансировки ядерных уравнений.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Хотя в ядерных реакциях встречается много видов, в этой таблице приведены названия, символы, представления и описания наиболее распространенных из них. Эта таблица состоит из четырех столбцов и семи строк. Первая строка является строкой заголовка и помечает каждый столбец: «Имя», «Символ(ы)», «Представление» и «Описание». В столбце «Имя» находятся следующие элементы: «Альфа-частица», «Бета-частица», «Позитрон», «Протон», «Нейтрон» и «Гамма-луч». В столбце «Символ(ы)» указано следующее: «верхний индекс 4 расположен над нижним индексом 2H e или строчной буквой альфа», «верхний индекс 0 расположен над нижним индексом 1 e или строчной буквой бета», «верхний индекс 0 расположен над положительным нижним индексом 1 e или нижний регистр beta верхний индекс положительный знак», «верхний индекс 1 расположен над нижним индексом 1 H или нижний регистр rho верхний индекс 1 расположен над нижним индексом 1 H», «верхний индекс 1 расположен над нижним индексом 0 n или нижний регистр eta верхний индекс 1 расположен над нижним индексом 0 n», и гамма в нижнем регистре. В столбце «Представление» находятся следующие: две белые сферы, прикрепленные к двум синим сферам примерно одинакового размера с положительными знаками в них; маленькая красная сфера со знаком минус внутри; маленькая красная сфера со знаком плюс внутри; синие сферы со знаком плюс внутри; белая сфера; и фиолетовая закорючка со стрелкой, указывающей вправо на строчную гамму. В столбце «Описание» находятся следующие сведения: «(Высокоэнергетические) ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов», «(Высокоэнергетические) выборы», «Частицы с такой же массой, как у электрона, но с 1 единицей положительный заряд», «Ядра атомов водорода», «Частицы с массой, примерно равной массе протона, но не имеющие заряда», «Электромагнитное излучение очень высокой энергии».

Обратите внимание, что позитроны точно такие же, как электроны, за исключением того, что они имеют противоположный заряд. Они являются наиболее распространенным примером антиматерии, частиц с той же массой, но противоположным состоянием другого свойства (например, заряда), чем обычная материя. 2\), как показано в предыдущем разделе. Например, при столкновении позитрона и электрона оба аннигилируют и создаются два фотона гамма-излучения: 90_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1} \]

Гамма-лучи представляют собой коротковолновое высокоэнергетическое электромагнитное излучение и обладают (намного) большей энергией, чем более известные рентгеновские лучи. . Гамма-лучи производятся, когда ядро ​​претерпевает переход из более высокого в более низкое энергетическое состояние, аналогично тому, как фотон производится электронным переходом с более высокого на более низкий энергетический уровень. Из-за гораздо большей разницы энергий между ядерными энергетическими оболочками гамма-лучи, исходящие от ядра, имеют энергию, которая обычно в миллионы раз превышает энергию электромагнитного излучения, исходящего от электронных переходов.

Баланс ядерных реакций

Сбалансированное уравнение химической реакции отражает тот факт, что во время химической реакции связи разрываются и образуются, а атомы перестраиваются, но общее количество атомов каждого элемента сохраняется и не изменяется. Сбалансированное уравнение ядерной реакции указывает на то, что во время ядерной реакции происходит перегруппировка субатомных частиц, а не атомов. Ядерные реакции также подчиняются законам сохранения и уравновешиваются двумя способами: 9{A}_{Z}X} \nonumber \]

, где

• \(\ce A\) – массовое число, а
• \(\ce Z\) – атомный номер нового нуклида, \(\ce X\).

Поскольку сумма массовых чисел реагентов должна равняться сумме массовых чисел продуктов:

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

so

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

Точно так же заряды должны быть сбалансированы, поэтому:

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \] 91_0n} \номер \]

Резюме

Ядра могут подвергаться реакциям, которые изменяют их количество протонов, количество нейтронов или энергетическое состояние. В ядерных реакциях может участвовать множество различных частиц. Наиболее распространены протоны, нейтроны, позитроны (положительно заряженные электроны), альфа (α) частицы (которые представляют собой высокоэнергетические ядра гелия), бета (β) частицы (которые представляют собой высокоэнергетические электроны) и гамма (γ ) лучи (которые составляют высокоэнергетическое электромагнитное излучение). Как и химические реакции, ядерные реакции всегда сбалансированы. При протекании ядерной реакции общая масса (число) и общий заряд остаются неизменными. 90_{+1}е}\))

античастица к электрону; он имеет идентичные свойства электрона, за исключением наличия противоположного (положительного) заряда

---

Эта страница под названием 21.2: Nuclear Equations распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.