Ядерный распад

Ядерный распад происходит, когда ядро ​​атома нестабильно и спонтанно излучает энергию в виде излучения. В результате ядро ​​превращается в ядро ​​одного или нескольких других элементов. Эти дочерние ядра имеют меньшую массу и более стабильны (с меньшей энергией), чем родительское ядро. Ядерный распад также называют радиоактивный распад, и это происходит в серии последовательных реакций, пока не будет достигнуто стабильное ядро.

Ядерные реакции выделяют гораздо больше энергии — на порядки больше, — чем экзотермические химические реакции.

Ядерное излучение находит применение в производстве энергии, разработке оружия, лечении рака и визуализации. Первые два приложения часто политически чреваты.

Содержание

• Нейтронно-протонное отношение
• Типы ядерного распада
• Закон радиоактивного распада
• Радиоактивный период полураспада
• Манхэттенский проект
• использованная литература

Нейтронно-протонное отношение

Отношение нейтронов к протонам ( n : p big(n:p ( n : p или n p ) frac

big) p n ) определяет, стабилен ли атом. Элементы с отношением, близким или равным единице, считаются стабильными. Независимо от соотношения нейтронов и протонов все элементы с атомным номером больше 83 нестабильны и, следовательно, радиоактивны.

Изображение из https://en.m.wikipedia.org/wiki/Neutron–protonratio#/media/File%3AIsotopesandhalf-life.svg по лицензии в свободном доступе

Черная линия на картинке выше показывает полосу стабильности, где соотношение равно 1:1. По мере увеличения атомного номера график изгибается вверх.По мере увеличения атомной массы требуется большее количество нейтронов, чтобы преодолеть сильное электростатическое отталкивание между протонами. Эти атомы не имеют стабильного отношения n p frac np p n ​. Чтобы преодолеть эту неустойчивость, ядро ​​атома излучает энергию. Выбросы называются радиоактивность.

Типы ядерного распада

Существует шесть распространенных типов ядерного распада.

1. Альфа-распад производит ядро ​​гелия-4, которое также известно как альфа-частица. Следовательно, дочернее ядро ​​содержит на два протона и два нейтрона меньше, чем родительское. Этот тип излучения обычно наблюдается в ядрах с атомной массой 200 и более. изображение общественного достояния

2. Бета-распад обычно наблюдается в ядрах с большим числом нейтронов. Нейтрон расщепляется на протон и высокоэнергетический электрон (называемый бета-частица), последний из которых выбрасывается из ядра.

изображение общественного достояния

Отношение нейтронов к протонам Массовое число Атомный номер

Что из нижеперечисленного не изменяется при бета-распаде элемента?

3. Электронный захват происходит, когда электрон во внутренней оболочке соединяется с протоном, образуя нейтрон. Как только во внутренней оболочке появится отверстие, второй электрон переместится в более низкое энергетическое состояние, что приведет к испусканию рентгеновского излучения. Немецкий физик Вильгельм Рентген сделал этот рентгеновский снимок во время публичной лекции в 1896 году. Изображение, являющееся общественным достоянием.

4. Гамма-излучение уникален тем, что не обязательно превращает один элемент в другой. Часто продукты реакций ядерного распада образуются в возбужденном состоянии. Подобно тому, как электрон в возбужденном состоянии будет излучать энергию при возвращении в основное состояние, дочерние ядра испускают высокоэнергетический фотон (а гамма-луч) по мере того, как он достигает своей стабильной формы. Этот процесс может происходить мгновенно или через несколько часов после первой ядерной реакции, в зависимости от элемента.

5. Позитронное излучение можно рассматривать как противоположность бета-распада.Протон расщепляется на нейтрон и позитрон. (А позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный заряд.) Затем позитрон выбрасывается из ядра. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) широко используется в медицине.

ПЭТ-изображение головного мозга человека [2]

6. Спонтанное деление происходит, когда ядро ​​полностью разрушается, образуя две отдельные части с разными атомными номерами и атомными массами. Элемент должен быть очень массивным и иметь высокое отношение нейтронов к протонам, чтобы подвергнуться спонтанному делению. При делении выделяется большое количество энергии.

Цепная реакция деления урана является мощным источником энергии. [3]

Закон радиоактивного распада

Скорость радиоактивного распада всегда прямо пропорциональна количеству атомов, присутствующих в образце в данный момент времени.

Радиоактивный распад можно выразить математически следующим образом, поскольку радиоактивный распад увеличивается экспоненциально, математическое выражение дает то же самое:

Пусть исходное количество радиоактивных атомов в образце было N 0 N_0 N 0 , а количество радиоактивных атомов в данный момент времени t t t равно N N N . Затем,

Н = Н 0 . е — λ т , N знак равно N_0 . e^<-lambda t>, N = N 0 ​ . е — λ т ,

где λ lambda λ – константа распада, или константа распада, которую можно определить следующим образом:

Н 0 . е — λ т N знак равно 1 пер ⁡ ( N 0 N ) + пер ⁡ ( е — λ т ) знак равно пер ⁡ ( 1 ) пер ⁡ ( N 0 N ) — λ т знак равно 0 ⟹ пер ⁡ ( N 0 N ) знак равно λ т . begin dfrac>N&= 1 lnleft(dfracNright)+ ln(e^<-lambda t>)&= ln(1) lnleft(dfracN справа) -lambda t&=0 подразумеваетlnleft(dfracNright) &= lambda t. конец N N 0 ​ . e − λ t ​ ln ( N N 0 ​ ​ ) + ln ( e − λ t ) ln ( N N 0 ​ ) − λ t ⟹ ln ( N N 0 ​ ) ​ = 1 = ln ( 1 ) = 0 = λ т .​

70% 75% 78% 80%

Если 10 % 10 % 1 0 % вещества распадается за 10 дней, 10 text < дней,>1 0 дней, то каков примерный процент вещества, оставшегося через 24 дня? 24 text < дней?>2 4 дня?

Радиоактивный период полураспада

период полураспада радиоактивного элемента – это время, за которое половина ядер в пробе распадается в результате реакции первого порядка. Период полураспада радиоизотопа может составлять доли секунды или миллионы лет, в зависимости от элемента.

Период полураспада

Период полураспада (t1/2) (t_) (t1/2) определяется как время, необходимое для распада половины исходного числа атомов в радиоактивном образце. Период полувыведения остается постоянным. Даже если образец прошел один период полураспада, период времени для следующего периода полураспада остается неизменным.

Используя уравнение, введенное выше, N = N 0 . е — λ т N знак равно N_0 . e^ <-lambda t>N = N 0 ​ . e − λ t и определение периода полураспада, когда t = t 1 / 2 , t = t_, t = t 1 / 2 ​ , N = N 0 2 . N = dfrac2. N = 2 N 0 ​ ​ . Так,

N 0 2 знак равно N 0 е λ т 1 / 2 е λ т 1 / 2 знак равно 2 λ т 1 / 2 знак равно пер ⁡ 2 ⇒ т 1 / 2 знак равно 0,693 λ . begin dfrac2 &= N_0 e^<lambda t_> e^<lambda t_> &= 2 lambda t_ &= ln 2 Rightarrow t_ &= dfrac<lambda>. end 2 N 0 ​ e λ t 1 / 2 ​ λ t 1/2 ​ ⇒ t 1/2 ​ = N 0 ​ e λ t 1/2 ​ = 2 = ln 2 = λ 0 . 6 9 3 ​ .​

Постоянная распада элемента равна 0,5 0,5 0 . 5 в день. Найдите период полураспада элемента в днях.

ОТВЕЧАТЬ
У нас есть

t 1 / 2 = 0,693 λ = 0,693 0,5 = 1,386 дня. □ begin t_&=dfrac<lambda> &=dfrac &=1.386text< days>. _square end t 1 / 2 ​ = λ 0 . 6 9 3 ​ = 0 . 5 0 . 6 9 3 ​ = 1 . 3 8 6 дней. □ ​ ​

средний срок службы радиоактивного материала является обратной константой распада.

Манхэттенский проект

Во время Второй мировой войны и Германия, и Соединенные Штаты начали экспериментировать с использованием ядерных реакций для создания оружия, причем Соединенные Штаты преуспели первыми и сбросили две атомные бомбы на японские города в августе 1945 года. Манхэттенский проект, что привело к развитию США.Министерство энергетики и национальные лаборатории представляли собой секретный проект, соединяющий обширные объекты по всей стране, включая Ок-Ридж, штат Теннесси; Чикаго, Иллинойс; Лос-Аламос, Нью-Мексико; и Хэнфорд, штат Вашингтон. Эти объекты часто находились в сельской местности как из-за секретного характера работы, так и из-за пространства и оборудования, необходимых для обработки элементов для ядер бомб и для испытаний оружия. [4]

Разрушительная сила атомного оружия исходит из энергии, образующейся при расщеплении ядер элементов в ядре бомбы. США разработали два типа атомных бомб во время Второй мировой войны. Первый, получивший прозвище Little Boy, был сброшен на японский город Хиросима и представлял собой орудие пушечного типа с урановым сердечником. Второе оружие, сброшенное на Нагасаки, называлось «Толстяк» и представляло собой устройство имплозивного типа с плутониевым сердечником.

Точные конструкции ядерного оружия не являются общедоступными, но основные научные концепции обсуждаются ниже.

Изотопы урана-235 и плутония-239 были выбраны за их способность легко подвергаться деление. Когда нейтрон попадает в ядро ​​атома, принадлежащего к одному из этих видов, он расщепляет ядро ​​на фрагменты и высвобождает энергию. Процесс деления становится самоподдерживающимся, поскольку нейтроны, образующиеся при расщеплении атома, ударяются о близлежащие ядра и вызывают большее деление. Это известно как цепная реакция и в конечном итоге приводит к атомному взрыву.

Маленький мальчик питался от изотопа урана U-235, что требовало обширного процесса извлечения и обогащения. Большая часть урана, обнаруженного в природе в мире, существует в виде U-238, и менее 1% природного урана существует в виде изотопа U-235. Когда нейтрон бомбардирует U-238, изотоп часто захватывает нейтрон, превращаясь в U-239, не способный к делению или запуску цепной реакции, необходимой для взрыва бомбы. Первой задачей Манхэттенского проекта было определение наиболее эффективного способа выделения и очистки U-235.Как только было получено достаточно U-235 для питания бомбы, Little Boy был сконструирован с использованием конструкции пушечного типа, которая стреляла одной частью U-235 в другую внутри бомбы. Объединенные массы достигли критической точки, чтобы вызвать цепную реакцию деления. Little Boy использовал конструкцию типа пистолета. [5]

Толстяк не мог использовать ту же конструкцию пушечного типа, которая позволила Малышу эффективно взорваться — форма плутония, собранного из ядерных реакторов в Хэнфорде, штат Вашингтон, для бомбы не позволяла использовать эту стратегию из-за присутствия следов изотопа Pu-. 240. Более высокая скорость деления плутония-240 заставит атомы подвергнуться самопроизвольному делению до того, как конструкция пушечного типа сможет соединить две массы плутония вместе, что снизит энергию, необходимую для фактического взрыва бомбы.

В новой конструкции использовались обычные взрывчатые вещества вокруг центральной массы плутония для консолидации плутония, увеличения давления и плотности. Повышенная плотность позволила плутонию достичь критической массы. Для детонации бомбы поджигалась взрывчатка, высвобождающая ударную волну, которая сжимала внутренний плутоний и приводила к его взрыву.

Толстяк, бомба имплозивного типа. Образ общественного достояния.