Ядерные реакции

Строение атома. Ядерные реакции

Строение атома

Планетарная модель атома была разработана Резерфордом после проведения серии экспериментов. До Резерфорда считалось, что в атоме равномерно распределены “плюсы” и “минусы”, и атом представляет собой некий электронейтральный “пудинг”, состоящий из равномерно перемешенных положительных и отрицательных зарядов (модель атома Томпсона).

Постановка эксперимента

Резерфорд направлял сфокусированный пучок альфа-частиц (тяжелые положительно заряженные частицы) на тонкую пластинку фольги. В ходе опытов выяснилось, что большинство α-частиц проходят фольгу насквозь, немного отклоняясь, но некоторые рассеиваются с большим углом отклонения.

Так как α-частицы обладают положительным зарядом, рассеивать их могло лишь электростатическое поле. α-частицы также достаточно массивны, поэтому не могли отклоняться электронами, которые легче на несколько порядков. Следовательно, α-частицы рассеивались электростатическим полем массивного объекта ― ядра атома.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд разработал «планетарную модель атома», согласно в центре атома располагается массивное положительно заряженное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядро окружено легкими, движущимися по орбитам вокруг ядра, отрицательно заряженными электронами.

Ядро обозначается в виде:

Изотопы ― это атомы, или ядра одного элемента, но с разной массой, например, $_{92}^{235}U$ и $_{92}^{238}U$.

Ядерные реакции

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад ― спонтанное изменение состава ядра атома. Радиоактивность ― это процесс радиоактивного распада. При радиоактивном распаде ядро атома испускает альфа-частицы, электроны или гамма излучение.

Закон радиоактивного распада описывает статистическую закономерность ― он позволяет определить, сколько атомных ядер распалось в начальном образце. При этом узнать, какое именно из ядер распадется в следующий раз невозможно. Распад ядра ― очень быстрый процесс, о времени распада каждого отдельного ядра также ничего нельзя сказать.

Закон радиоактивного распада имеет вид:

Период полураспада показывает, за какое время половина всех атомов в образце распадется.

Виды распада

Наиболее распространенные типы радиоактивного распада ― α-распад, электронный β-распад, электронный β-захват и γ-распад. Эти распады происходят по следующим схемам:

При α-распаде заряд ядра атома уменьшается на 2, а массовое число уменьшается на 4, и излучается α-частица ― ядро гелия.

При электронном β-распаде один из нейтронов в ядре превращается в протон, ядро испускает один электрон: $\begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e$.

Из-за превращения нейтрона в протон, зарядовое число увеличивается на 1, а масса не изменяется.

При электронном β-захвате (еще можно встретить название: позитронный β-распад) один из электронов $\begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e$ со внешних орбиталей захватывается протоном в ядре и превращается в нейтрон. Из-за превращения протона в нейтрон, зарядовое число уменьшается на 1, а масса не изменяется.

При γ-распаде заряд и масса ядра не изменяются.

Законы сохранения

При протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд элементов:

$\begin{matrix} A_{1} \\ Z_{1} \\ \end{matrix}X + \begin{matrix} A_{2} \\ Z_{2} \\ \end{matrix}Y = \begin{matrix} A_{3} \\ Z_{3} \\ \end{matrix}Z + \begin{matrix} A_{4} \\ Z_{4} \\ \end{matrix}\Omega$

Сумма масс элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме масс справа, после ядерной реакции: $A_{1} + A_{2} = A_{3} + A_{4}$.

Сумма зарядов элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме зарядов справа, после ядерной реакции: $Z_{1} + Z_{2} = Z_{3} + Z_{4}$.