Теоретическая справка
Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
При ядерных реакциях выполняются следующие законы.
1. Закон сохранения электрического заряда: сумма электрических зарядов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме электрических зарядов атомных ядер и частиц после реакции.
2. Закон сохранения массового числа: сумма нуклонов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме нуклонов атомных ядер и частиц после реакции.
Примеры ядерных реакций
Первое наблюдавшееся превращение ядра (Ю. Резерфорд, 1919) – открытие протона: $_{7}^{14}\textrm{N}+_{2}^{4}\textrm{He}=_{1}^{1}\textrm{H}+_{8}^{17}\textrm{O}$.
Первая ядерная реакция на быстрых протонах (1932): $_{3}^{7}\textrm{Li}+_{1}^{1}\textrm{p}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{2}^{4}\textrm{He}$.
Открытие нейтрона (Дж. Чедвик, 1932) – бериллиевое излучение: $_{4}^{9}\textrm{Be}+_{2}^{4}\textrm{He}=_{0}^{1}\textrm{n}+_{6}^{12}\textrm{C}$.
Деление ядер – это деление атомного ядра на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов. При делении ядер испускаются нейтроны и γ-лучи, а также выделяется большая энергия. Механизм деления ядер (капельная модель) В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y. Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты. Цепная ядерная реакция – ядерная реакция деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которой число нейтронов возрастает и поэтому может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления. В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов: Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер. Условия протекания цепной ядерной реакции: Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой. Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами. Основные элементы ядерного реактора:
Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии. Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества. Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 107 К и выше). В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд. При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана. Пример реакции синтеза: $_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}=_{2}^{$}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}$ Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·107 К. При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·1011 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива. Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены. В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·1011 т, чему соответствует энергетический запас 1017 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. Каково массовое число ядра $Х$ в реакции $_{98}^{252}\textrm{Cf}+_{2}^{4}\textrm{He}=X+3_{0}^{1}\textrm{n}$?
Закон сохранения массы: $252+4=A+3 \cdot 1 \Rightarrow A=253$. Ответ: 253
2. Произошла следующая ядерная реакция: $_{7}^{14}\textrm{N}+_{2}^{4}\textrm{He}=X+_{8}^{17}\textrm{O}$. Какая частица X выделилась в результате реакции?
1) α-частица
2) β-частица
3) нейтрон
4) протон
Закон сохранения заряда: $7+2=Z+8 \Rightarrow Z=1$. Закон сохранения массы: $14+4=A+17 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: протон $_{1}^{1}\textrm{p}$. Ответ: 4
3. Произошла следующая ядерная реакция: $_{8}^{18}\textrm{O}+_{1}^{1}\textrm{p}=X+_{9}^{18}\textrm{F}$. Какая частица Х выделилась в результате реакции?
1) нейтрон
2) протон
3) α-частица
4) β-частица
Закон сохранения заряда: $8+1=Z+9 \Rightarrow Z=0$. Закон сохранения массы: $18+1=A+18 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: нейтрон $_{0}^{1}\textrm{n}$. Ответ: 1
4. Какая частица Х испускается в результате следующей реакции: $_{9}^{19}\textrm{F}+_{1}^{1}\textrm{p}=X+_{8}^{16}\textrm{O}$?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $9+1=Z+8 \Rightarrow Z=2$. Закон сохранения массы: $19+1=A+16 \Rightarrow A=4$. Неизвестная частица: альфа-частица $_{2}^{4}\textrm{He}$. Ответ: 1
5. Какая частица Х испускается в результате следующей реакции: $_{13}^{27}\textrm{Al}+_{0}^{1}\textrm{n}=_{11}^{24}\textrm{Na}+X$?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $13+0=Z+11 \Rightarrow Z=2$. Закон сохранения массы: $27+1=A+24 \Rightarrow A=4$. Неизвестная частица: альфа-частица $_{2}^{4}\textrm{He}$. Ответ: 1
6. Какая частица Х испускается в результате следующей реакции: $_{25}^{55}\textrm{Mn}+_{1}^{1}\textrm{p}=_{26}^{55}\textrm{Fe}+X$?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $25+1=Z+26 \Rightarrow Z=0$. Закон сохранения массы: $55+1=A+55 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: нейтрон $_{0}^{1}\textrm{H}$. Ответ: 1
7. Какая частица образуется в результате следующей ядерной реакции $_{13}^{27}\textrm{Al}+ \gamma=_{12}^{26}\textrm{Mg}+X$?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $13=Z+12 \Rightarrow Z=1$. Закон сохранения массы: $27=A+26 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: протон $_{1}^{1}\textrm{p}$. Ответ: 3
8. При захвате нейтрона ядром $_{13}^{27}\textrm{Al}$ образуется радиоактивный изотоп $_{11}^{24}\textrm{Na}$. При этом ядерном превращении испускается
1) нейтрон
2) протон
3) α-частица
4) электрон
Закон сохранения заряда: $13+0=Z+11 \Rightarrow Z=2$. Закон сохранения массы: $27+1=A+24 \Rightarrow A=4$. Неизвестная частица: альфа-частица $_{2}^{4}\textrm{He}$. Ответ: 3
9. Какая частица взаимодействует с ядром бора в следующей ядерной реакции: $_{5}^{10}\textrm{B}+ X=_{3}^{7}\textrm{Li}+_{2}^{4}\textrm{He}$?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $5+Z=3+2 \Rightarrow Z=0$. Закон сохранения массы: $10+A=7+4 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: нейтрон $_{0}^{1}\textrm{n}$. Ответ: 4
10. В результате бомбардировки изотопа лития $_{3}^{7}\textrm{Li}$ ядрами дейтерия образуется изотоп бериллия: $_{3}^{7}\textrm{Li}+_{1}^{2}\textrm{H}=X+_{4}^{8}\textrm{Be}$. Какая при этом испускается частица?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $3+1=Z+4 \Rightarrow Z=0$. Закон сохранения массы: $7+2=A+8 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: нейтрон $_{0}^{1}\textrm{n}$. Ответ: 4
11. Произошла следующая ядерная реакция: $_{13}^{27}\textrm{Al}+_{2}^{4}\textrm{He}=_{14}^{30}\textrm{Si}+X$. Какая частица (Х) выделилась в результате реакции?
1) альфа-частица
2) электрон
3) протон
4) нейтрон
Закон сохранения заряда: $13+2=Z+14 \Rightarrow Z=1$. Закон сохранения массы: $27+4=A+30 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: протон $_{1}^{1}\textrm{H}$. Ответ: 3
12. При бомбардировке изотопа бора $_{5}^{10}\textrm{B}$ α-частицами $_{2}^{4}\textrm{He}$ образуется изотоп азота $_{7}^{13}\textrm{N}$. Какая при этом выбрасывается частица?
1) нейтрон
2) протон
3) α-частица
4) β-частица
Закон сохранения заряда: $5+2=Z+7 \Rightarrow Z=0$. Закон сохранения массы: $10+4=A+13 \Rightarrow A=1$. Неизвестная частица: нейтрон $_{0}^{1}\textrm{n}$. Ответ: 1
13. Какая частица образуется в ходе следующей ядерной реакции $_{12}^{25}\textrm{Mg}+_{1}^{1}\textrm{p}=_{11}^{22}\textrm{Na}+X$?
1) нейтрон
2) протон
3) α-частица
4) β-частица
Закон сохранения заряда: $12+1=Z+11 \Rightarrow Z=2$. Закон сохранения массы: $25+1=A+22 \Rightarrow A=4$. Неизвестная частица: альфа-частица $_{2}^{4}\textrm{He}$. Ответ: 3
14. Сколько нейтронов рождается в результате реакции деления $_{92}^{238}\textrm{U}+_{0}^{1}\textrm{n}=_{56}^{146}\textrm{Ba}+_{36}^{92}\textrm{Kr}+ n \cdot _{0}^{1}\textrm{n}$
Закон сохранения массы: $238+1=146+92+ n \cdot 1 \Rightarrow n=1$. Ответ: 1