Чем ядерные реакции отличаются от химических реакций

Анхель С. де Диос Ядерная химия
Ядерная химия

Со всеми темами, которые мы обсудили, и со всеми навыками, которые вы, надеюсь, приобрели в этом курсе, глава о ядерной химии должна быть управляемой.В этих лекциях будут освещены только основные моменты этой темы. Эти концепции и характеристики уникальны для ядерной химии.

Пример ядерной реакции

Верхний индекс для каждого символа представляет собой атомную массу (количество протонов плюс количество нейтронов).
Нижний индекс — это плата. Электрону присвоен специальный символ _-1 0 е.

Основные различия между ядерными и химическими реакциями

(1) Ядерные реакции связаны с изменением ядра атома, обычно с образованием другого элемента. Химические реакции, с другой стороны, включают только перегруппировку электронов и не включают изменения в ядрах.

(2) Различные изотопы элемента обычно ведут себя одинаково в химических реакциях. Ядерная химия различных изотопов сильно отличается друг от друга.

(3) На скорость химических реакций влияют температура и катализаторы. На скорость ядерных реакций такие факторы не влияют.

(4) Ядерные реакции не зависят от химической формы элемента.

(5) Энергетические изменения, сопровождающие ядерные реакции, гораздо больше. Эта энергия исходит от разрушения массы. (6) В ядерной реакции масса строго не сохраняется. Часть массы превращается в энергию, E = mc 2 .

Энергия связи

Потеря массы, происходящая при объединении протонов и нейтронов в ядро, называется дефектом массы. Этот дефект массы преобразуется в энергию. Именно энергия связи удерживает вместе нуклоны (протоны и нейтроны).

Чтобы сравнить стабильность различных нуклидов, энергии связи можно выразить в расчете на нуклон, используя мегаэлектронвольты в качестве единицы энергии. Мегаэлектронвольт равен 1,60·10 -13 Дж. Например, энергия связи а-частицы (ядра Не) равна 2,73·10 9 кДж/моль. Разделим это число на число Авогадро и на 4 (число нуклонов в ядре He, 2 протона плюс 2 нейтрона). Тогда мы получим энергию на нуклон, 7,08 МэВ/нуклон.

В периодической таблице энергия связи на нуклон достигает максимального значения, 8,79 МэВ/нуклон, при 56 Fe. Следовательно, ядра с атомными номерами больше 26 имеют тенденцию расщепляться на более легкие ядра, а ядра с атомными номерами меньше 26 склонны объединяться с образованием более тяжелых ядер. Реакция расщепления называется делением. Комбинационная реакция называется синтезом.

Спонтанные ядерные реакции

(1) излучение — испускание альфа-частицы (ядра He), приводящее к уменьшению как массы, так и атомного номера.
Выше приведен пример сбалансированной ядерной реакции. Сумма верхних индексов одинакова с обеих сторон. То же самое верно и для нижних индексов.
(2) б радиация — испускание бета-частицы (электрона из ядра), приводящее к увеличению атомного номера.
Это отличается от реакции окисления, поскольку выброшенный электрон исходит из ядра (нейтрон превратился в протон, тем самым выбрасывая электрон).
(3) g-излучение — Это фотон, несущий испускаемую энергию. Длина волны составляет от 10 -11 до 10 -14 м (более высокая энергия, чем у рентгеновских лучей).

(4) эмиссия позитронов — испускание положительно заряженного электрона (позитрона) из ядра, приводящее к уменьшению атомного номера. Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный заряд. Другими словами, внутри ядра протон превращается в нейтрон.
(5) захват электронов — Это происходит в тяжелых атомах, у которых внутренняя оболочка (1с) электрон захватывается ядром, что приводит к уменьшению атомного номера.

Резюме

Причина самопроизвольного радиоактивного распада

Соотношение нейтрон/протон играет важную роль. Нейтроны действуют как ядерный «клей», который скрепляет нуклоны, преодолевая огромное отталкивающее взаимодействие между протонами. Чем больше протонов, тем больше нейтронов нужно.

Пояс стабильности Выше приведен график зависимости количества нейтронов от количества протонов в стабильных ядрах.(1) По мере увеличения числа протонов идеальное соотношение нейтрон/протон увеличивается.
(2) Ядра, лежащие выше пояса стабильности, испускают b-излучение.
(3) Ядра, лежащие ниже этого пояса, испускают позитроны или захватывают электроны.
(4) Ядра с атомным номером больше 84 подвергаются испусканию.

Ядра с 2, 8, 20, 28, 50 и 82 протонами особенно стабильны (по аналогии с инертными газами), что указывает на то, что нуклоны также описываются оболочками.
Радиоактивный распад подчиняется кинетике первого порядка. Эти скорости обычно задаются как периоды полураспада.