21.2 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 объекты 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 ( 1 1 p , ( 1 1 p , также представленные символом 1 1 H ) 1 1 H ) и нейтроны ( 0 1 n ) ( 0 1 n ) являются составными частями атомных ядер и были описаны ранее. Альфа-частицы ( 2 4 He , ( 2 4 He , также обозначаемые символом 2 4 α ) 2 4 α ) представляют собой высокоэнергетические ядра гелия. Бета-частицы (-1 0 β , (-1 0 β , также обозначаемые символом -1 0 e ) -1 0 e ) представляют собой высокоэнергетические электроны, а гамма-лучи представляют собой фотоны очень высокоэнергетического электромагнитного излучения. Позитроны ( +1 0 e , ( +1 0 e , также обозначаемые символом +1 0 β ) +1 0 β ) 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 (Не) с зарядом +2 и массовым числом 4, поэтому она обозначается как 2 4 Не. 2 4 Он . Это работает, потому что, как правило, заряд иона не важен для балансировки ядерных уравнений.

Рис. 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. Е = МС 2, показанный в предыдущем разделе. Например, когда позитрон и электрон сталкиваются, оба аннигилируют и создаются два фотона гамма-излучения:

−1 0 e + +1 0 e ⟶ γ + γ −1 0 e + +1 0 e ⟶ γ + γ

Как видно из главы, посвященной свету и электромагнитному излучению, гамма-лучи составляют 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, участвующих в ядерной реакции, кроме одной, мы можем идентифицировать частицу, уравновешивая реакцию. Например, мы могли бы определить, что 8 17 O 8 17 O является продуктом ядерной реакции 7 14 N 7 14 N и 2 4 He 2 4 He, если бы знали, что протон 1 1 H , 1 1 H один из двух продуктов. В примере 21.4 показано, как мы можем идентифицировать нуклид, уравновешивая ядерную реакцию.

Пример 21.4

Уравнения баланса для ядерных реакций

Реакция α-частицы с магнием-25 (12 25 Mg) (12 25 Mg) дает протон и нуклид другого элемента. Определите образовавшийся новый нуклид.

Решение

Ядерную реакцию можно записать так:
12 25 Mg + 2 4 He ⟶ 1 1 H + Z A X 12 25 Mg + 2 4 He ⟶ 1 1 H + Z A X

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

25 + 4 = А + 1 или А = 28 25 + 4 = А + 1 или А = 28

Точно так же заряды должны уравновешиваться, поэтому:

12 + 2 = Z + 1 и Z = 13 12 + 2 = Z + 1 и Z = 13

Проверьте периодическую таблицу: элемент с ядерным зарядом = +13 — это алюминий. Таким образом, произведение равно 13 28 Al. 13 28 Ал .

Проверьте свое обучение

Нуклид 53 125 I 53 125 I соединяется с электроном и производит новое ядро, а не другие массивные частицы. Каково уравнение этой реакции?

Отвечать:

53 125 I + −1 0 e ⟶ 52 125 Te 53 125 I + −1 0 e ⟶ 52 125 Te

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

Первый выделенный в природе нестабильный элемент, полоний, был открыт польскими учеными Марией Кюри и ее мужем Пьером в 1898 году.Он распадается, испуская α-частицы: