Определение, типы и уравнения ядерной реакции

Что такое ядерные реакции (ЯР)?

Ядерные реакции происходят, когда два атомных ядра сталкиваются с энергией, достаточной для образования одного или нескольких дочерних ядер (или продуктов), которые отличаются от родительских ядер (или реагентов). Ядерные реакции также происходят, когда одно ядро сталкивается с внешней субатомной частицей. Эта реакция также приводит к образованию одного или нескольких дочерних ядер, которые отличаются от родительского ядра. Эти два примера называются индуцированными ядерными реакциями. Подгруппа ядерных реакций происходит спонтанно и не индуцируется извне столкновением. Они связаны с нестабильными ядрами и известны как ядерные выбросы, ядерный распад, радиоактивный распад или самопроизвольное деление.

Ядерные реакции против химических

Ядерные отличаются от химических реакций. Химические реакции включают взаимодействие между химическими элементами (атомами) или соединениями (молекулами). Из-за химической связи эти реакции приводят к изменениям в расположении атомов внутри молекул, часто превращая одну молекулу в другую. Электроны внутри атома или молекулы и распределение их электрических зарядов играют важную роль в облегчении этих реакций и изменениях химических связей в реагирующих атомах или молекулах.

С другой стороны, (ЯР) включают взаимодействия между субатомными частицами ядра атома. Этими частицами являются протоны и нейтроны атома, которые вместе называются нуклонами. При обсуждении ядерных реакций различные ядра называются нуклидами или ядерными видами. Атомы (как химические элементы) и нуклиды характеризуются атомным или зарядовым номером (Z), который равен числу протонов в ядре. Атомы и нуклиды также имеют массовое число (А), которое представляет собой общее количество нуклонов в ядре. Например, углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами отличается от нуклида углерода-14 с 6 протонами и 8 нейтронами. Символы нуклидов аналогичны тем, которые обозначают виды атомов. Они оба используют символ элемента из таблицы Менделеева вместе с массовым числом в качестве верхнего левого верхнего индекса и номером протона в качестве нижнего левого индекса, как показано в этом общем нуклиде:

ZAX

Примеры нуклидов и их символов включают:

Водород (или протонная частица):

 11H (or 11p)

Гелий (или альфа-частица ):

 24He (or 24α)

Углерод-13:

 613C

Уран-235:

 92235U

Число протонов и нейтронов в нуклидах претерпевает изменения в ходе ядерных реакций. В химических реакциях число этих частиц не меняется для каждого атома, участвующего в реакции. Другими словами, все атомные элементы, участвующие в химической реакции, остаются прежними. Это не похоже на ситуацию в (ЯР) (за исключением гамма-излучения, как обсуждается ниже), когда нуклиды превращаются в новые элементы, даже если общее количество нуклонов в реагирующих нуклидах или субатомных частицах сохраняется. Помимо атомного номера и массового числа, нуклиды характеризуются также своим ядерно-энергетическим состоянием. Концепция подчеркивает ядерные свойства атома, а не его химические свойства.

Типы ядерных реакций

Существует два типа индуцированных ядерных реакций: деление и синтез . Они вызваны особыми условиями, такими как столкновения при высоких энергиях. Спонтанные ядерные выбросы представляют собой третью подгруппу (ЯР). Эти три категории подробно рассматриваются ниже.

Ядерные выбросы

Как упоминалось выше, нестабильные нуклиды могут подвергаться спонтанному излучению или радиоактивному распаду. Это происходит, когда продукт распада (частица или фотон) спонтанно выбрасывается из него, что изменяет его массовое число и/или атомный номер или его энергетическое состояние. При выбросах ядерного распада количество нуклонов в исходном нуклиде всегда будет равно общему количеству в продуктах. Существует шесть типов выбросов, которые описаны ниже вместе с их общими уравнениями реакций:

АЛЬФА-РАСПАД: Большинство тяжелых нуклидов с массовыми числами более 200 нестабильны. Они подвергнутся альфа-распаду, при котором альфа-частица

24α

с зарядом +2 выбрасывается, в результате чего остается более стабильный дочерний нуклид с на 2 протона меньше и на 2 нейтрона меньше, чем у родительского нуклида.

ZA(>200)X  Z2A4X + 24α

БЕТА-РАСПАД: Некоторые нестабильные нуклиды содержат избыток нейтронов и выбрасывают бета-частицу высокой энергии 

10β

, которая уменьшает соотношение нейтронов и протонов, в результате чего дочерний элемент нуклид более стабилен. Бета-частица — это всего лишь электрон с зарядом -1, хотя его масса настолько мала, что в уравнениях реакций она считается равной 0. Во время бета-распада один из нейтронов превращается в (положительно заряженный) протон и бета-частицу. Обратите внимание, что дочерний будет иметь на 1 протон больше и на 1 нейтрон меньше, чем его родительский, но такое же общее массовое число. Электрические заряды в продуктах сбалансированы и вместе равны заряду родительского элемента (0).

ZAX  Z+1AX + 10β

ЭМИССИЯ ПОЗИТРОНА. Противоположностью бета-распада является эмиссия позитронов. Это происходит с нуклидами, нестабильными из-за недостаточного количества нейтронов. Они распадаются, превращая протон в нейтрон и испуская позитрон высокой энергии

+10β+

. Позитроны являются аналогом электрона из антивещества и имеют заряд +1. После испускания позитрона дочерний нуклид будет иметь на 1 нейтрон больше и на 1 протон меньше, что увеличивает соотношение нейтронов к протонам и делает его более стабильным.

ZAX  Z1AX + +10β+ 

ЗАХВАТ ЭЛЕКТРОНОВ. Еще одним способом распада бедных нейтронами нуклидов является захват электронов. В этом процессе электрон внутренней оболочки

10e

 атома соединяется с протоном в его ядре, образуя дополнительный нейтрон. Затем электрон внешней оболочки переходит во внутреннюю оболочку нижнего состояния, оставшуюся вакантной из-за электрона, объединившегося с протоном. При этом выделяется энергия в виде рентгеновского фотона. Дочерний нуклид теперь имеет более высокое соотношение нейтронов и протонов и более стабилен, чем его родительский.

ZAX + 10e  Z1AX + xray photon

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ: При гамма-излучении возбужденный нуклид испускает фотон гамма-излучения

00γ

, чтобы понизить свое энергетическое состояние. Фотоны не имеют заряда или массы, поэтому эта реакция не меняет число протонов или массовое число нуклида, но меняет его энергетическое состояние.

ZAX(excited)  ZAX + 00γ

СПОНТАННОЕ ДЕЛЕНИЕ. Очень тяжелые нуклиды с высоким соотношением нейтронов к протонам могут подвергаться спонтанному делению с образованием двух дочерних меньшего размера. Этот процесс испускает несколько нейтронов 

x 01n

и высвобождает большое количество энергии.

Z+YA+B+CX  ZAX + YBX + C 01n + energy

Ядерное деление

Некоторые тяжелые, но стабильные нуклиды, которые обычно не вступают в спонтанные реакции, можно заставить подвергнуться ядерному делению, бомбардируя их нейтронами низкой энергии или другими легкими частицами. Бомбардирующий нейтрон поглощается нуклидом, что увеличивает соотношение нейтронов и протонов, делая его нестабильным. Этот первый шаг называется ядерной трансмутацией. Нестабильный нуклид теперь самопроизвольно разделится на два меньших дочерних. В этой реакции также выделяются нейтроны вместе с огромным количеством энергии. Это процесс, лежащий в основе производства энергии на электростанциях. Примером этой реакции является уран-235, стабильный, но делящийся (или делящийся) нуклид. При попадании нейтрона создается новый вид: уран-236. Этот нестабильный может расщепиться на барий-141, криптон-92 и три свободных нейтрона, как показано в следующем уравнении ядерного деления:

92235U + 01n  92236U  56141Ba + 3692Kr + 3 01n + energy

Термоядерная реакция

Термин «ядерный синтез» специально используется для реакций, в которых два относительно легких нуклида сталкиваются и сливаются с образованием одного более тяжелого. Субатомные частицы также образуются как продукты этих индуцированных высокоэнергетических реакций. Реакции синтеза происходят в ядрах звезд, таких как наше Солнце, когда нуклиды водорода сливаются с образованием гелия. Ниже приводится типичное уравнение синтеза :

12H (deuterium) + 13H (tritium)  24He + 01n + energy (including photons)

Поскольку реакции термоядерного синтеза производят огромное количество энергии, ученые изучают возможность использования синтеза для производства энергии для общественного потребления.

Ядерная трансмутация также используется для синтеза элементов тяжелее урана. В этих реакциях используется бомбардировка этих тяжелых нуклидов нейтронами, альфа-частицами высокой энергии или другими нуклидами для получения одного более тяжелого. Продукты этих реакций остаются относительно стабильными, по крайней мере, в течение коротких периодов времени. Ниже приведены примеры ядерных реакций, используемых для синтеза трансурановых элементов кюрия (Cm), америция (Am), калифорния (Cf) и лоуренсия (Lr):

94239Pu (plutonium) + 24α  96242Cm + 01n94239Pu + 24α  95241Am + 11p + 01n92238U + 612C  98246Cf + 4 01n98252Cf + 510B  103256Lr + 6 01n

Краткие итоги урока

Существует три категории ядерных реакций. Ядерное излучение включает альфа-распад, при котором испускается альфа-частица с зарядом +2; бета-распад, при котором испускается электрон с зарядом -1; и гамма-излучение, испускающее нейтральный фотон. Эти реакции всегда происходят спонтанно и приводят к образованию более мелких и более стабильных нуклидов. Деление требует индуцированного поглощения нейтрона крупным, который затем самопроизвольно распадается на два меньших дочерних и несколько свободных нейтронов. Этот процесс используется на атомных электростанциях. Синтез также требует стимулирования. Это происходит в ядрах звезд, таких как наше Солнце, когда два относительно легких нуклида сталкиваются и сливаются, образуя один более тяжелый. Исследователи изучают возможность использования синтеза для производства энергии для общественного потребления. Во всех ядерных реакциях сумма чисел протонов продуктов равна числу протонов родителей, и то же самое верно для сумм массовых чисел, как показано как в уравнении деления и в уравнении синтеза.

Часто задаваемые вопросы

Каковы два типа вызванных ядерных реакций?

Двумя типами индуцированных ядерных реакций являются деление, при котором нуклид распадается на два более мелких стабильных, и синтез, при котором мелкие нуклиды сталкиваются и сливаются, образуя более крупный.

Что такое ядерная реакция?

(ЯР) влечет за собой взаимодействие между субатомными частицами (протонами и нейтронами) ядра атома. (ЯР) изменяют количество протонов или нейтронов в реагирующем ядре. Некоторые реакции производят огромное количество энергии.

Поделитесь материалом
Автор статьи: Сергей Попов
Сергей Попов
Автор научных трудов на тему социологии, психологии. Преподаватель литературы и истории. Доктор исторических наук.
Сергей Попов опубликовал статей: 13

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *