Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

11.2: Ядерні рівняння

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20114

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Визначте загальні частинки і енергії, що беруть участь в ядерних реакціях.
    • Написати і збалансувати ядерні рівняння.

    Зміни ядер, що призводять до зміни їх атомних номерів, масових чисел або енергетичних станів, є ядерними реакціями. Для опису ядерної реакції ми використовуємо рівняння, яке ідентифікує нукліди, що беруть участь у реакції, їх масові номери та атомні номери та інші частинки, які беруть участь у реакції.

    Типи частинок в ядерних реакціях

    Багато сутностей можуть бути залучені до ядерних реакцій. Найбільш поширеними є протони, нейтрони, альфа-частинки, бета-частинки, позитрони, гамма-промені, як показано в табл\(\PageIndex{1}\).

    Таблиця\(\PageIndex{1}\) Короткий опис назв, символів, уявлень і описів найбільш поширених частинок в ядерних реакціях.

    Ця таблиця має чотири стовпці і сім рядків. Перший рядок є рядком заголовка, який позначає кожен стовпець: «Ім'я», «Символ (и)», «Представлення» та «Опис». Під стовпцем «Назва» знаходяться такі: «Альфа-частинка», «Бета-частинка», «Позитрон», «Протон», «Нейтрон» та «Гамма-промінь». Під стовпцем «Символ (и)» наведено наступне: «верхній індекс 4 укладаються над нижнім рядком 2 H e або малим літером альфа», «верхній індекс 0 укладено над нижнім індексом 1 e або малим регістрам beta beta», «верхній індекс 0 укладено над позитивним нижнім рядком 1 e або нижнім регістрам надіндексу позитивного знака», «верхній індекс 1, складений над a індекс 1 H або нижній регістр rho верхній індекс 1, складений над нижнім рядком 1 H», «верхній індекс 1, укладений над нижнім рядком 0 n або нижнім регістрам та надіндексом 1, складеного над нижнім рядком 0 n» та нижньою гамою. Під «Подання стовпця» знаходяться такі: дві білі сфери, прикріплені до двох синіх сфер приблизно однакового розміру з позитивними знаками в них; невелика червона сфера з негативним знаком у ній; невелика червона сфера з позитивним знаком у ній; сині сфери з позитивним знаком у ньому; біла сфера; і a фіолетовий карлик ling зі стрілкою, що вказує вправо на нижню гамму. Під колонкою «Опис» знаходяться такі: «(Високоенергетичні) ядра гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів», «(Високоенергетичні) вибори», «Частки з тією ж масою, що і електрон, але з 1 одиницею позитивного заряду», «Ядра атомів водню», «Частинки з масою, приблизно рівною масі протон, але без заряду» та «Дуже високоенергетичне електромагнітне випромінювання».

    Балансування ядерних реакцій

    Збалансоване рівняння хімічної реакції відображає той факт, що під час хімічної реакції розриваються і утворюються зв'язки, а атоми переставляються, але загальні числа атомів кожного елемента консервуються і не змінюються. Збалансоване рівняння ядерної реакції вказує на те, що під час ядерної реакції відбувається перестановка, але субатомних частинок, а не атомів. Ядерні реакції також відповідають законам збереження, і вони збалансовані двома способами:

    1. Сума масових чисел реагентів дорівнює сумі масових чисел продуктів.
    2. Сума зарядів реагентів дорівнює сумі зарядів продуктів.

    Якщо атомний номер і масове число всіх, крім однієї, частинок в ядерній реакції відомі, ми можемо ідентифікувати частинку, врівноважуючи реакцію. Наприклад, ми могли б визначити, що\(\ce{^{17}_8O}\) це продукт ядерної реакції,\(\ce{^{14}_7N}\) і\(\ce{^4_2He}\) якби ми знали, що протон\(\ce{^1_1H}\), є одним з двох продуктів. Приклад\(\PageIndex{1}\) показує, як ми можемо ідентифікувати нуклід, врівноважуючи ядерну реакцію.

    Процеси ядерного розпаду

    Радіоактивний розпад передбачає викид частинки та/або енергії, коли один атом змінюється в інший. У більшості випадків атом змінює свою ідентичність, щоб стати новим елементом. Існує чотири різних типи викидів, які відбуваються.

    Альфа-емісія

    \(\left( \alpha \right)\)Альфа-розпад передбачає вивільнення іонів гелію з ядра атома. Цей іон складається з двох протонів і двох нейтронів і має\(2+\) заряд. Вивільнення\(\alpha\) частинки виробляє новий атом, який має атомний номер два менше вихідного атома і атомну вагу, яка на чотири менше. Типовою реакцією альфа-розпаду є перетворення урану-238 в торій:

    \[\ce{^{238}_{92}U} \rightarrow \ce{^{234}_{90}Th} + \ce{^4_2 \alpha}^+ \nonumber \]

    Ми бачимо зменшення атомного числа на два (уран до торію) і зменшення атомної ваги на чотири (238 до 234). Зазвичай емісія не записується із зазначенням атомного номера та ваги, оскільки це звичайна частка, властивості якої слід запам'ятати. Досить часто альфа-випромінювання супроводжується\(\left( \gamma \right)\) гамма-випромінюванням, формою виділення енергії. Багато з найбільших елементів в таблиці Менделєєва є альфа-випромінювачі.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\) Емісія альфа-частинки з ядра.

    Хіміки часто використовують імена батьківського ізотопу та дочірнього ізотопу для представлення вихідного атома та продукту, відмінного від альфа-частинки. У попередньому прикладі\[_{92}^{238}\textrm{U} \nonumber \] є батьківським ізотопом і\[_{90}^{234}\textrm{Th} \nonumber \] дочірнім ізотопом. Коли один елемент перетворюється на інший таким чином, він піддається радіоактивному розпаду.

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад радону-222 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.

    Рішення

    Радон має атомний номер 86, тому батьківський ізотоп представлений у вигляді\[_{86}^{222}\textrm{Rn} \nonumber \]

    Ми представляємо альфа-частинку як

    \[_{2}^{4}\textrm{He} \nonumber \]

    Використовуйте віднімання (222 − 4 = 218 і 86 − 2 = 84), щоб ідентифікувати дочірній ізотоп як полоній:

    \[_{86}^{222}\textrm{Rn}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{84}^{218}\textrm{Th} \nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад полонію-208 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.

    Відповідь

    \[_{80}^{208}\textrm{Po}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \]

    \[_{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \]

    Бета-емісія

    \(\left( \beta \right)\)Бета-розпад - більш складний процес. На відміну від\(\alpha\) -емісії, яка просто виганяє частинку,\(\beta\) -емісія передбачає перетворення нейтрона в ядрі в протон і електрон. Потім електрон викидається з ядра. У процесі атомний номер збільшується на одиницю, тоді як атомна вага залишається незмінною. Як і у випадку з\(\alpha\) -емісіями,\(\beta\) -викиди часто супроводжуються\(\gamma\) -випромінюванням.

    Рисунок\(\PageIndex{2}\) Бета-емісія.

    Типовий процес бета-розпаду включає вуглець-14, часто використовується в радіоактивних методах датування. Реакція утворює азот-14 і електрон:

    \[\ce{^{14}_6C} \rightarrow \ce{^{14}_7N} + \ce{^0_{-1}e} \nonumber \]

    Знову ж таки, бета-випромінювання зазвичай просто позначається грецькою літерою\(\beta\); запам'ятовування процесу необхідно для того, щоб слідувати ядерним розрахункам, в яких грецька буква\(\beta\) з'являється без подальших позначень.

    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад боро-12 викидом бета-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп. Гамма-промінь випромінюється одночасно з бета-частинкою.

    Рішення

    Батьківським ізотопом є\[B512," id="MathJax-Element-16-Frame" role="presentation" style="position:relative;" tabindex="0">

    в