Малюгина 11. Представление об ядерных реакциях.
Ядерные реакции — это превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом. Различают два типа ядерных реакций: ядерный распад и ядерный синтез.
Написание уравнений таких реакций основано на законах сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения.
Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлор-35 бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (протий), используя закон сохранения массы и заряда, можно рассчитать заряд ядра и массовое число нового атома:
Уравнение реакции: 3517Cl + 10n → 3516Х + 11H (1)
Исходя из баланса масс ядерной реакции, заряд ядра неизвестного элемента будет равен 16. А так как заряд атомного ядра = порядковому номеру, то получившийся изотоп элемента с порядковым номером №16. Этот атом - изотоп сера-35.
Уравнение реакции: 3517Cl + 10n → 3516S + 11H (2)
При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.
С 30-х годов прошлого столетия ученые начали управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента можно разделить на два более легких ядра. Например:
23592U + 10n → 14256Ba + 9136Kr + 310n (3)
Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра. В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объясняется неразрушимость ядер атомов при протекании химических реакций.
Откуда берется колоссальная энергия? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
вывел свою знаменитую формулу: E = mc2, где
Е - количество энергии;
m - дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с - скорость света = км/с
Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.
Цепная ядерная реакция
Из приведенного выше уравнения расщепления урана-видно, что в процессе деления ядра расходуется один нейтрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных нейтрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т. д. Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией.
Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана-238 невозможна, т. к. высвободится только один нейтрон:
23892U + 10n → 14256Ba + 9136Kr + 10n (4)
Скорости распада радиоактивных элементов сильно отличаются и не зависят от внешних условий, таких, например, как температура (в этом состоит важное отличие ядерных реакций от обычных химических превращений). Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада t 1/2, т. е. временем, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества. Для разных элементов период полураспада имеет сильно отличающиеся значения. Так, для урана 238U период полураспада t 1/2 = 4,5 × 109 лет. Именно поэтому активность урана в течение нескольких лет (даже столетий) заметно не меняется. Для радия 226Ra период полураспада t 1/2 = 1600 лет, поэтому и активность радия больше, чем урана. Ясно, что чем меньше период полураспада, тем быстрее протекает радиоактивный распад. Для разных элементов период полураспада может изменяться от миллионных долей секунды до миллиардов лет.
Естественный распад урана 238U через образование ряда промежуточные радиоактивных элементов, в конечном итоге, приводит к устойчивому элементу — свинцу 206Рb. Однако для этого требуется не один десяток миллионов лет.
Рис 1. Схема естественного распада урана
Кроме приведенного на схеме естественного ряда радиоактивных элементов (так называемого ряда урана), известны еще два других естественных ряда — это ряд актиния, начинающийся с 235U и заканчивающийся 208Рb, и ряд тория, начинающийся с 232Тh и заканчивающийся 208Рb. Существует еще и четвертый ряд радиоактивных изотопов, этот ряд получен искусственно.
Искусственные превращения, ядерный синтез. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом путем бомбардировки атомов азота α-частицами:
147N + 42He → 178O +11р (5)
Реакции ядерного синтеза происходят на Солнце.
В настоящее время, чтобы осуществить искусственные превращения, чаще используют протоны или нейтроны, например,
115B + 11p → 126C (6)
105B + 10n →73Li +42He (7)
В 1930 г. был создан первый в мире циклотрон (ускоритель элементарных частиц - “снарядов” для бомбардировки ядер атомов), после чего было открыто и изучено множество разнообразных ядерных реакций. В настоящее время специальная область химии, ядерная химия, занимается изучением превращений элементов.
Особую важность представлял синтез неизвестных ранее элементов: технеция, франция, астата и др., а также всех трансурановых элементов (элементов, порядковый номер которых превышает 92). В настоящее время получено 17 трансурановых элементов (от Z = 93 до Z = 109 включительно). Работы в этой области проводятся в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Там впервые были синтезированы элементы с порядковыми номерами 102, 103, 104, 105, 106, 107. Ведутся работы по синтезу элементов с более тяжелыми ядрами.
Вопросы для самопроверки
1. Какие процессы называют ядерными реакциями?
2. Чем ядерные реакции отличаются от химических?
3. Чем отличаются ядерный распад и ядерный синтез?
4. Кто впервые осуществил ядерный синтез?
5. Чем занимается ядерная химия?
Посмотреть ответ
1. Превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом.
2. В результате ядерных реакций образуются новые элементы, в результате химических реакций образуются новые вещества. В результате химических реакций атомы не разрушаются. Ядреные реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии.
3. В результате ядерного распада образуются атомы с меньшим зарядом атомного ядра, (реакции 1, 3,4); в результате ядерного синтеза – с большим (реакции 5,6,7). Так получают новые элементы VII периода ПСХЭ.
4. Эрнест Резерфорд, получил кислород-18. Уравнение (5)
5. Ядерная химия занимается изучением превращений элементов.
