Ядерные реакции

• 21 ноября 2022 г.
• Автор: Сэм Биррер

19 июл

Основные концепции

В этом уроке вы узнаете все о ядерные реакции. Это включает в себя введение в ядерные реакции и обсуждение того, как писать их уравнения. Мы также рассматриваем различные типы ядерных реакций, в том числе ядерное деление, ядерный синтез и радиоактивный распад.

Темы, освещенные в других статьях

• Структура атома
• Как найти количество протонов, нейтронов и электронов
• Содержание изотопов и средняя атомная масса
• Как читать периодическую таблицу

Введение в ядерные реакции

Что такое ядерные реакции? Большая часть известной нам химии имеет дело с реакциями между атомами и молекулами. Хотя химические свойства соединений могут резко меняться, идентичность атомов в этих реакциях остается неизменной.

Ядерные реакции, с другой стороны, модифицируют ядра атомов; это может превратить атом из одного элемента в другой, создать различные изотопы элемента или даже создать новые элементы, которых не существует в природе.

Многие из синтетических элементов, открытых в конце двадцатого и начале двадцать первого веков, были созданы в результате ядерных реакций. Большинство из них стабильны лишь доли секунды, после чего распадаются!

Написание уравнений ядерных реакций

Запись ядерных реакций требует несколько иной информации, чем мы привыкли предоставлять в уравнениях обычных химических реакций. Иногда мы начинаем и заканчиваем здесь одними и теми же атомами, так как же показать, что меняется? Нам нужно показать массу и атомный номер каждого ядра или субатомной частицы, используемых в уравнении. Для этого мы записываем каждую частицу с надстрочным и нижним индексами слева от ее символа.

Например, ниже приведен символ свинца-207, изотопа свинца со 125 нейтронами и 82 протонами. Количество протонов равно заряду ядра и идет в качестве нижнего индекса перед символом элемента. Общее количество протонов и нейтронов идет чуть выше, чтобы получить окончательную письменную форму.

Помимо обычных ядер, подобных этому, у нас также могут быть субатомные частицы, не имеющие символа элемента (например, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино). Электроны записываются как е или греческая буква бета с зарядом -1 и массой 0 (это приблизительная величина, поскольку она весит намного меньше 1 а.е.м. или массы протона). Позитроны такие же, но мы используем p (или снова греческую букву бета) и положительную 1 для заряда. Нейтрино обозначаются греческой буквой мю с нулем для заряда и массы. Антинейтрино просто имеют черту над символом, чтобы различать их. Ниже вы можете увидеть, как пишутся многие распространенные частицы.

Типы ядерных реакций

Реакции деления

Одной из наиболее известных категорий ядерных реакций является реакция деления. Ядерное деление — это когда ядро ​​делится пополам, образуя два меньших ядра. Некоторые очень тяжелые элементы делятся спонтанно, в то время как большинству требуется толчок — что-то, чтобы зажечь процесс. Этот толчок обычно обеспечивается нейтроном, ударяющим по ядру.

Реакции синтеза

Другой тип ядерной реакции – реакция синтеза. Фактически обратная реакция деления, этот тип включает объединение двух ядер с образованием третьего, более тяжелого ядра.

Слияние — обычный элемент научно-фантастических историй, поскольку при этом выделяется большое количество энергии. В настоящее время трудно добиться термоядерного синтеза в условиях, пригодных для производства энергии, но разработка более совершенных термоядерных реакторов является горячей областью исследований!

Радиоактивный распад

Радиоактивные ядра со временем «распадаются» или переходят в другое состояние.Когда они это делают, они выбрасывают в окружающую среду частицы, которые могут быть потенциально полезными или вредными. Некоторыми примерами являются альфа-частица, высокоэнергетический электрон или бета-частица и высокоэнергетический фотон или гамма-частица.

Скорость радиоактивного распада измеряется с помощью так называемого «периода полураспада». Определение периода полураспада — это время, необходимое для распада половины исходных атомов в образце, и оно представлено символом t_1/2. Чтобы понять, что это значит, предположим, что у вас есть образец из шестнадцати атомов с периодом полураспада пять минут. Через пять минут в среднем останется только восемь таких атомов. Остальные восемь распадутся во что-то другое. Через 10 минут (два периода полураспада) распадутся в среднем двенадцать атомов — восемь из предыдущих плюс половина из оставшихся восьми. Через 15 минут (три периода полураспада) распадутся в среднем 14 атомов. осталось всего два. В конце концов, через 20 минут останется только 1 атом.

Мы можем сказать только «в среднем», потому что мы никогда не знаем наверняка, когда распадется отдельный атом, а знаем только скорость, с которой они обычно распадаются. Если бы мы провели описанный выше эксперимент в реальной жизни, то, скорее всего, получили бы другие результаты. Однако, если бы мы запускали его много раз, результаты становились бы все ближе и ближе к тому, что мы описали.

Альфа-распад

Альфа-распад — это тип ядерного деления. В этой разновидности одним из новых ядер всегда является ядро ​​гелия — 2 протона и 2 нейтрона. Это означает, что для вычисления другого произведения мы можем просто вычесть 2 протона и 4 единицы массы. Например, если уран-238 подвергается альфа-распаду, он производит альфа-частицу и атом тория-234. Ниже вы можете увидеть еще один распад урана, который начинается с обычного изотопа U-235 и приводит к образованию тория-231.Ниже показаны два распространенных метода записи этой реакции (один, в котором альфа-частица записывается как продукт явно, а другой, где она записывается над стрелкой реакции в качестве сокращения).

Бета-распад

Один тип радиоактивного распада приводит к распаду нейтрона на две части: высокоэнергетический электрон, вылетающий из ядра, известный как бета-частица, и протон, который остается в ядре, придавая ему одну дополнительную единицу положительного заряда. . Генерируется и другая менее часто обсуждаемая субатомная частица — антинейтрино. Важно отметить, что поскольку нейтрон распадается на положительно и отрицательно заряженную частицу, в процессе сохраняется заряд. Ниже вы можете увидеть бета-распад, начинающийся с тория-231 сверху и заканчивающийся протактинием-231.

Существует вариант бета-распада, называемый бета-плюс-распадом, при котором вместо электрона создается позитрон, а вместо антинейтрино — нейтрино.

Гамма-излучение

Некоторые типы ядерных реакций не связаны с изменением числа протонов и нейтронов в ядре. Наиболее известная, гамма-излучение, представляет собой реакцию, в результате которой высвобождаются фотоны очень высокой энергии (свет), известные как гамма-излучение. Это излучение очень опасно для живых организмов, и это основная причина, по которой с радиоактивными материалами так трудно безопасно обращаться.

Причиной испускания гамма-квантов является распад ядра из более высокого в более низкое энергетическое состояние. Это похоже на то, как видимый свет излучается электронами. Основное отличие состоит в том, что разница в энергии между ядерными энергетическими уровнями намного больше. В результате испускаемые фотоны имеют гораздо большую энергию и более короткую длину волны. Именно их высокая энергия делает их опасными для живых существ. Это разновидность «ионизирующего» излучения, которое может модифицировать важные биомолекулы, поддерживающие функционирование организмов, например ДНК.

Дальнейшее чтение

• Атомная модель Резерфорда
• Атомная теория Дальтона
• Бор Модель атома
• Открытие ядра: эксперимент Резерфорда с золотой фольгой
• Открытие электрона: Дж. Дж. Томсон и электронно-лучевая трубка