Квантовая физика
Атом и ядро

Ядерные реакции. Деление и синтез

Мякишев «Физика 11», физика ядра
◆

Что нужно помнить из 7–9 класса

база 7–9 класса
В ядерной реакции сохраняются суммарный заряд и суммарное массовое число — по этому балансу находят недостающую частицу.
Короткое напоминание2

Масса ядра меньше суммы масс нуклонов на дефект масс; ему отвечает энергия связи E=Δmc2E = \Delta m c^2.

Энергию дают и деление тяжёлых ядер, и синтез лёгких.

Подробно — в уроке ОГЭ
1

Два закона сохранения решают задачу

В любой ядерной реакции сохраняются суммарный заряд ZZ и суммарное массовое число AA. По этому балансу и находят неизвестную частицу.
Обозначения, которые надо знать3

Протон 11p{}^{1}_{1}p, нейтрон 01n{}^{1}_{0}n, электрон −1 0e{}^{\ 0}_{-1}e, альфа-частица 24He{}^{4}_{2}\mathrm{He}, гамма-квант 00γ{}^{0}_{0}\gamma.

Складываем верхние индексы слева и справа — должно совпасть. То же для нижних.

Двух уравнений достаточно, чтобы однозначно определить недостающую частицу.

Сводить баланс только по одному числу нельзя. Заряд и массовое число проверяются оба, иначе ответ будет другой частицей.
⚗
Опыт в Физлабе
Ядерные реакции
Собирай реакцию и следи за балансом обоих чисел.
Открыть опыт
2

Деление тяжёлых ядер

Нейтрон попадает в ядро урана, оно разваливается на осколки и выбрасывает 2–3 новых нейтрона. Те делят следующие ядра — идёт цепная реакция.
Реактор и бомба3

В реакторе цепную реакцию управляют: поглощающие стержни забирают лишние нейтроны, коэффициент размножения держат равным единице.

В бомбе реакция неуправляемая и нарастает лавинообразно.

Именно нейтроны-продукты и поддерживают цепь — про них часто забывают, записывая реакцию.

3

Синтез лёгких ядер

Слияние лёгких ядер (водород → гелий) тоже даёт энергию. Так светит Солнце.
Почему на Земле это сложно2

Чтобы ядра сблизились вопреки кулоновскому отталкиванию, нужны температуры в миллионы градусов и удержание плазмы.

Управляемый термоядерный синтез пока не освоен, хотя энергетически он выгоднее деления и не даёт долгоживущих отходов.

4

Энергетический выход

Считают по разности суммарных масс до и после реакции. Масса уменьшилась — энергия выделилась.
E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2Δm\Delta m — разность масс до и после
Как не запутаться в знаке3

Суммируй массы всех частиц слева и всех справа. Если слева больше — реакция идёт с выделением энергии.

Если справа больше — энергию надо подводить, реакция эндотермическая.

Деление и синтез оба выделяют энергию, но заходят к железу с разных концов таблицы.

Разобранные примеры
В реакции 714N+24He→X+11H^{14}_{7}\text{N}+^{4}_{2}\text{He}\to X+^{1}_{1}\text{H} определите ядро XX.разбор
  1. Массовые числа: 14+4=1814+4=18, справа уже есть 11, значит у XX будет 1717.
  2. Заряды: 7+2=97+2=9, справа 11, значит у XX заряд 88.
  3. X=817OX={}^{17}_{8}\text{O} — кислород.
Ответ: 817O^{17}_{8}\text{O}
Почему при делении тяжёлых и при синтезе лёгких ядер выделяется энергия?разбор
  1. Энергия связи на нуклон максимальна у железа — примерно в середине таблицы.
  2. Тяжёлые ядра, делясь, приближаются к железу; лёгкие, сливаясь, тоже.
  3. В обоих случаях связь становится прочнее, а разница выделяется как энергия.
Ответ: растёт энергия связи на нуклон