4. Квантовая и ядерная физика Читать 0 мин.

4.2. Ядерные реакции

Опыт Резерфорда. В 1911 г. Эрнест Резерфорд проводил опыты, бомбардируя потоком α–частиц (α–частица представляет собой тяжелую положительно заряженную частицу) тонкие пластинки фольги. В ходе опытов выяснилось, что большинство α–частиц проходят фольгу насквозь, немного отклоняясь, но некоторые рассеиваются с большим углом отклонения.

Так как α–частицы обладают положительным зарядом, рассеивать их могло лишь электростатическое поле. α – частицы также достаточно массивны, поэтому не могли отклоняться электронами, которые легче на несколько порядков. Следовательно, α – частицы рассеивались электростатическим полем массивного объекта ― ядра атома.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд разработал «планетарную модель атома», согласно в центре атома располагается массивное положительно заряженное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядро окружено легкими, движущимися по орбитам вокруг ядра, отрицательно заряженными электронами.

Ядро обозначается в виде ${}_Z^AX$ , где

X ― название химического элемента;

Z ― зарядовое число, равное количеству протонов в ядре;

A ― массовое число, равное количеству протонов и нейтронов в ядре.

Поскольку массовое число атомов равно сумме протонов и нейтронов, то можно найти число нейтронов в атоме: n = A – Z. Число электронов в атоме равно число протонов.

Изотопы ― это атомы, или ядра одного элемента, но с разной массой, например  ${}_{92}^{235}U$ и  ${}_{92}^{238}U$ . У изотопов одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Например ядро  ${}_{92}^{235}U$ имеет 92 протона и 143 нейтрона, а ядро  ${}_{92}^{238}U$ ― 146 нейтронов.

Пример анализа состава атома по таблице химических элементов Менделеева. Состав ядра самого распространенного изотопа галлия  ${}_{69}^{31}Ga$ : 31 протон, 69 нуклонов (протонов и нейтронов вместе), 38 нейтронов. Этот изотоп встречается в 60% случаев. У атома галлия 31 электрон.

Радиоактивный распад ― спонтанное изменение состава ядра атома. Радиоактивность ― это процесс радиоактивного распада. При радиоактивном распаде ядро атома испускает альфа–частицы, электроны или гамма излучение.

Закон радиоактивного распада описывает статистическую закономерность ― он позволяет определить, сколько атомных ядер распалось в начальном образце. При этом узнать, какое именно из ядер распадется в следующий раз невозможно. Распад ядра – очень быстрый процесс, о времени распада каждого отдельного ядра также ничего нельзя сказать.

Закон радиоактивного распада имеет вид N(t) = N0 ∙ 2–t/T, где

N(t) ― число атомов в момент времени t;

N(0) ― число атомов радиоактивного элемента в начальный момент;

T ― период полураспада;

t ― время, которое прошло с начального момента.

Период полураспада показывает, за какое время половина всех атомов в образце распадется.

Закон радиоактивного распада может быть также записан с использованием не числа атомов элемента, а концентрации атомов в образце, или массы атомов в образце.

Пример: если в образце находится m0 (кг) радиоактивного элемента, то через время, равное периоду полураспада t = T, в образце останется m(T) (кг): m(T) = $\frac{m_0}{2^{T/T}} = \frac{m_0}{2}$ (кг). Спустя еще один период полураспада t = 2T, в образце останется m(2T) (кг): m(2T) = $\frac{m_0}{2^{2T/T}} = \frac{m_0}{2^2} = \frac{m_0}{4}$ (кг).

Спустя три периода полураспада t = 3T ― m(3T) = $\frac{m_0}{2^{3T/T}} = \frac{m_0}{2^3} = \frac{m_0}{8}$ (кг).

Спустя четыре периода полураспада t = 4T ― m(4T) = $\frac{m_0}{2^{4T/T}} = \frac{m_0}{2^4} = \frac{m_0}{16}$ (кг) и т. д.

График изменения массы радиоактивного элемента, находящегося в образце имеет экспоненциальный вид:

Наиболее распространенные типы радиоактивного распада ― α–распад, электронный β–распад, γ–распад. Эти распады происходят по следующим схемам:

α–распад: ${}_Z^A X \underset{\alpha - \text{распад}}{\longmapsto} {}_{Z-2}^{A-4}Y + \underset{\alpha - \text{частица}}{\underbrace{{}_2^4He}}$

При α–распаде заряд ядра атома уменьшается на 2, а массовое число уменьшается на 4, и излучается α–частица ― ядро гелия.

β–распад: ${}_Z^A X \underset{\beta - \text{распад}}{\longmapsto} {}_{Z+1}^{A}Y + {}_{-1}^0e$

При электронном β–распаде один из нейтронов в ядре превращается в протон, ядро испускает один электрон ${}_{-1}^0e$ . Из–за превращения нейтрона в протон, зарядовое число увеличивается на 1, а масса не изменяется.

γ–распад ― это испускание ядром гамма–излучения (электромагнитной волны высокой частоты)

${}_Z^A X \underset{\gamma - \text{распад}}{\longmapsto} {}_{Z}^{A}X + \gamma$

При γ–распаде заряд и масса ядра не изменяются.

Законы сохранения. При протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд элементов:

${}_{Z1}^{A1}X + {}_{Z2}^{A2}Y = {}_{Z3}^{A3}Z + {}_{Z4}^{A4}\Omega$

Сумма масс элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме масс справа, после ядерной реакции: А1 + А2 = А3 + А4.

Сумма зарядов элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме зарядов справа, после ядерной реакции: Z1 + Z2 = Z3 + Z4.

Прочитано Отметь, если полностью прочитал текст
Ништяк!

Решено верно

Браво!

Решено верно

Крутяк!

Решено верно

Зачёт!

Решено верно

Чётко!

Решено верно

Бомбезно!

Решено верно

Огонь!

Решено верно

Юхууу!

Решено верно

Отпад!

Решено верно

Шикарно!

Решено верно

Блестяще!

Решено верно

Волшебно!

Решено верно