Ядерные реакции и радиоактивный распад
Ядерные уравнения и радиоактивные ряды
В химической реакции атомы сохраняются, в ядерной — нет: меняется само ядро. Сохраняются лишь массовое число (сумма протонов и нейтронов) и заряд.
| Распад | Что вылетает | Изменение ядра | Пример |
|---|---|---|---|
| \(\alpha\) | \(\ce{^4_2He}\) | \(A - 4\), \(Z - 2\) | \(\ce{^226_88Ra -> ^222_86Rn + ^4_2He}\) |
| \(\beta^-\) | электрон и антинейтрино | \(Z + 1\) | \(\ce{^14_6C -> ^14_7N + e-}\) |
| \(\beta^+\) | позитрон и нейтрино | \(Z - 1\) | \(\ce{^18_9F -> ^18_8O + e+}\) |
| электронный захват | нейтрино | \(Z - 1\) | \(\ce{^40_19K + e- -> ^40_18Ar}\) |
| \(\gamma\) | фотон | не меняется | переход из возбуждённого состояния |
Тяжёлые ядра распадаются цепочками — радиоактивными рядами — до стабильного свинца. Число \(\alpha\)-распадов определяет изменение массового числа (только они его меняют), число \(\beta\)-распадов — баланс заряда.
scienceИсторические ядерные реакции
- \(\ce{^14_7N + ^4_2He -> ^17_8O + ^1_1H}\) — Резерфорд (1919), первое искусственное превращение.
- \(\ce{^9_4Be + ^4_2He -> ^12_6C + ^1_0n}\) — Чедвик (1932), открытие нейтрона.
- \(\ce{^27_13Al + ^4_2He -> ^30_15P + ^1_0n}\); \(\ce{^30_15P -> ^30_14Si + e+}\) — Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (1934), искусственная радиоактивность.
- \(\ce{^235_92U + ^1_0n -> ^141_56Ba + ^92_36Kr + 3^1_0n}\) — деление (Ган и Штрасман, 1938; объяснение — Лиза Мейтнер и Отто Фриш).
Период полураспада и активность
Радиоактивный распад — случайный процесс первого порядка: за равные промежутки распадается одна и та же доля ядер.
Активность — число распадов в секунду: \(A = \lambda N\), единица — беккерель (Бк); старая единица кюри (\(3{,}7\cdot10^{10}\) Бк) — активность 1 г радия-226.
Период полураспада не зависит от температуры, давления, химической формы — ядро «не знает», в какой молекуле находится атом (крошечные исключения — электронный захват в \(\ce{^7Be}\) чуть зависит от химического окружения). В этом главное отличие от химической кинетики.
Радиоуглеродное датирование (Уиллард Либби, 1949; Нобелевская премия 1960 года): \(\ce{^14C}\) образуется в атмосфере под действием космических лучей и попадает в живые организмы. После смерти его доля падает с \(T = 5730\) лет.
edit_noteАктивность радия
1,00 мг \(\ce{^226Ra}\) (\(T = 1600\) лет): \(N = \dfrac{10^{-3}}{226}\cdot6{,}02\cdot10^{23} = 2{,}66\cdot10^{18}\); \(\lambda = \dfrac{0{,}693}{1600\cdot3{,}156\cdot10^7\ \text{с}} = 1{,}37\cdot10^{-11}\) с⁻¹; \(A = 3{,}66\cdot10^7\) Бк ≈ 1 мКи. Период полураспада обязательно переводят в секунды.
Энергия ядерных реакций
Масса продуктов ядерной реакции меньше массы исходных частиц на дефект масс \(\Delta m\); он превращается в энергию \(E = \Delta mc^2\). Удобно: 1 а. е. м. соответствует 931,5 МэВ. Для сравнения: химическая реакция даёт несколько электронвольт на молекулу, ядерная — миллионы.
Деление тяжёлых ядер (≈200 МэВ на ядро урана-235) и синтез лёгких (\(\ce{^2H + ^3H -> ^4He + n}\), 17,6 МэВ) выгодны потому, что энергия связи на нуклон максимальна у ядер в районе железа.
Синтез сверхтяжёлых элементов: в Дубне под руководством Юрия Оганесяна ядра кальция-48 направляли на мишени из актиноидов. Так были получены элементы 114–118; оганесон (\(\ce{^294Og}\)) — из калифорния-249 и кальция-48.
scienceРеакции синтеза и деления
- \(\ce{^2_1H + ^3_1H -> ^4_2He + ^1_0n}\) — 17,6 МэВ.
- \(\ce{^6_3Li + ^1_0n -> ^3_1H + ^4_2He}\) — наработка трития в бланкете термоядерного реактора.
- \(\ce{^249_98Cf + ^48_20Ca -> ^294_118Og + 3^1_0n}\).
errorЯдерная реакция — не химическая
В ядерных уравнениях не уравнивают «атомы элементов» и не пишут степени окисления — сохраняются только \(A\) и \(Z\). А химическая форма радионуклида (соль, оксид, комплекс) никак не влияет на скорость распада.
push_pinГлавное
Распады: \(\alpha\) (\(A - 4\), \(Z - 2\)), \(\beta^-\) (\(Z + 1\)), \(\beta^+\) и электронный захват (\(Z - 1\)), \(\gamma\) (без изменения \(A\), \(Z\)). В уравнении сохраняются сумма массовых чисел и сумма зарядов. Ряды: \(\ce{^238U -> ^206Pb}\) (8 α, 6 β), \(\ce{^232Th -> ^208Pb}\) (6 α, 4 β), \(\ce{^235U -> ^207Pb}\) (7 α, 4 β). \(N = N_0\cdot2^{-t/T}\), \(\lambda = \ln2/T\), активность \(A = \lambda N\) (Бк; 1 Ки = \(3{,}7\cdot10^{10}\) Бк). Радиоуглерод: \(T = 5730\) лет. Энергия: \(E = \Delta m\cdot931{,}5\) МэВ/а. е. м. Период полураспада практически не зависит от химической формы, температуры и давления — ядерные процессы не подчиняются законам химического баланса элементов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.