21.2: Ядерні рівняння

Цілі навчання

• Визначити загальні частинки і енергії, що беруть участь в ядерних реакціях
• Записати 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 і гамма-промені, як показано на малюнку$\PageIndex{1}$. Протони$(\ce{^{1}_{1}p}$, також представлені символом$\ce{^1_1H})$ і нейтронами,$(\ce{^1_0n})$ є складовими атомних ядер, і були описані раніше. Альфа-частинки$(\ce{^4_2He}$, також представлені символом,$\ce{^{4}_{2}\alpha})$ є високоенергетичними ядрами гелію. Бета-частинки$(\ce{^{0}_{−1}\beta}$, також представлені символом,$\ce{^0_{-1}e})$ є високоенергетичними електронами, а гамма-промені - фотонами дуже високоенергетичного електромагнітного випромінювання. Позитрони$(\ce{^0_{+1}e}$, також представлені символом,$\ce{^0_{+1}β})$ є позитивно зарядженими електронами («антиелектронами»). Індекси та надскрипти необхідні для балансування ядерних рівнянь, але зазвичай є необов'язковими в інших обставин. Наприклад, альфа-частинка - це ядро гелію (He) із зарядом +2 і масовим числом 4, тому вона символізується$\ce{^4_2He}$. Це працює тому, що, як правило, іонний заряд не важливий у балансуванні ядерних рівнянь.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Хоча багато видів зустрічаються в ядерних реакціях, ця таблиця узагальнює назви, символи, уявлення та описи найпоширеніших з них.

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 укладаються над позитивним нижнім рядком 1 e або нижнім регістрам надіндексу позитивного знака», «верхній індекс 1, складений над 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», «Частинки 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».

Зверніть увагу, що позитрони в точності схожі на електрони, за винятком того, що мають протилежний заряд. Вони є найпоширенішим прикладом антиречовини, частинок з тією ж масою, але протилежним станом іншої властивості (наприклад, заряду), ніж звичайна речовина. Коли антиречовина стикається зі звичайною речовиною, обидва знищуються, і їх маса перетворюється на енергію у вигляді гамма-променів (γ) - і інших набагато менших субядерних частинок, які виходять за рамки цієї глави - відповідно до рівняння еквівалентності маси та енергії$E = mc^2$, що спостерігається в попередньому розділ. Наприклад, коли позитрон і електрон стикаються, обидва анігілюються і створюються два фотони гамма-променів:

$$\ce{^0_{−1}e + ^0_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1}$$

Гамма-промені складають короткохвильові, високоенергетичні електромагнітні випромінювання і (набагато) більш енергійні, ніж більш відомі рентгенівські промені. Гамма-промені виробляються, коли ядро зазнає переходу від вищого до нижчого енергетичного стану, подібно до того, як фотон виробляється електронним переходом від вищого до нижчого енергетичного рівня. Через набагато більші енергетичні відмінності між оболонками ядерної енергії, гамма-промені, що виходять з ядра, мають енергії, які зазвичай в мільйони разів більше, ніж електромагнітне випромінювання, що виходить від електронних переходів.

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 зберігаються 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.

Приклад$\PageIndex{1}$: Balancing Equations for Nuclear Reactions

Реакція$α$ частинки з магнієм-25$(\ce{^{25}_{12}Mg})$ виробляє протон і нуклід іншого елемента. Визначте новий вироблений нуклід.

Рішення

Ядерну реакцію можна записати так:

$$\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X} \nonumber$$

де

• $\ce A$це масове число і
• $\ce Z$атомний номер нового нукліду,$\ce X$.

Тому що сума масових чисел реагентів повинна дорівнювати сумі масових чисел продуктів:

$$\mathrm{25+4=A+1} \nonumber$$

тому

$$\mathrm{A=28} \nonumber$$

Аналогічним чином заряди повинні балансувати, так:

$$\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber$$

тому

$$\mathrm{Z=13} \nonumber$$

Перевірте таблицю Менделєєва: Елемент з ядерним зарядом = +13 - алюміній. Таким чином, продукт є$\ce{^{28}_{13}Al}$.

Вправа$\PageIndex{1}$

Нуклід$\ce{^{125}_{53}I}$ поєднується з електроном і виробляє нове ядро і ніяких інших масивних частинок. Яке рівняння для цієї реакції?

Відповідь

$$\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber$$

Нижче наведені рівняння декількох ядерних реакцій, які відіграють важливу роль в історії ядерної хімії:

• Перший природний нестійкий елемент, який був виділений, полоній, був відкритий польським вченим Марією Кюрі та її чоловіком П'єром у 1898 році. Він розпадається, виділяючи α частинки: $$\ce{^{212}_{84}Po⟶ ^{208}_{82}Pb + ^4_2He}\nonumber$$
• Першим нуклідом, отриманим штучним шляхом, був ізотоп кисню, ¹⁷ О. він був зроблений Ернестом Резерфордом в 1919 році шляхом бомбардування атомів азоту частинками α: $$\ce{^{14}_7N + ^4_2α⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber$$
• Джеймс Чедвік відкрив нейтрон в 1932 році, як раніше невідома нейтральна частинка, вироблена разом з ¹² С ядерною реакцією між ^{9 Be} і ⁴ He: $$\ce{^9_4Be + ^4_2He⟶ ^{12}_6C + ^1_0n} \nonumber$$
• Перший елемент, який слід підготувати, який не зустрічається природним шляхом на землі, технецій, був створений бомбардуванням молібдену дейтронами (важкий водень$\ce{^2_1H}$), Еміліо Сегре та Карло Пер'є в 1937 році: $$\ce{^2_1H + ^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n + ^{97}_{43}Tc}\nonumber$$
• Перша керована ядерна ланцюгова реакція була проведена в реакторі в Чиказькому університеті в 1942 році. Однією з багатьох реакцій було: $$\ce{^{235}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{87}_{35}Br + ^{146}_{57}La + 3^1_0n} \nonumber$$

Резюме

Ядра можуть піддаватися реакціям, які змінюють їх кількість протонів, кількість нейтронів або енергетичний стан. У ядерних реакціях може бути залучено безліч різних частинок. Найпоширенішими є протони, нейтрони, позитрони (які є позитивно зарядженими електронами), альфа (α) частинки (які є ядрами гелію високої енергії), бета (β) частинки (які є електронами високої енергії) та гамма (γ) промені (які складають високоенергетичне електромагнітне випромінювання). Як і при хімічних реакціях, ядерні реакції завжди збалансовані. При виникненні ядерної реакції загальна маса (число) і загальний заряд залишаються незмінними.

Глосарій

альфа-частинки

(α$\ce{^4_2He}$ або$\ce{^4_2α}$) високоенергетичне ядро гелію; атом гелію, який втратив два електрони і містить два протони і два нейтрони

антиречовину

частинки з однаковою масою, але протилежними властивостями (наприклад, заряд) звичайних частинок

бета-частинки

($β$$\ce{^0_{-1}e}$або$\ce{^0_{-1}β}$) високоенергетичний електрон

гамма-випромінювання

(γ або$\ce{^0_0γ}$) короткохвильове, високоенергетичне електромагнітне випромінювання, яке проявляє подвійність хвильових частинок

ядерна реакція

зміна на ядро, що призводить до зміни атомного номера, масового числа або енергетичного стану

позитрон ($\ce{^0_{+1}β}$або$\ce{^0_{+1}e}$)

античастинка до електрона; він має ідентичні властивості електрону, за винятком наявності протилежного (позитивного) заряду