Ядерные реакции

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).

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.

У изотопов одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Например, ядро \(_{92}^{235}U\) имеет 92 протона и 143 нейтрона, а ядро \(_{92}^{238}U\) ― 146 нейтронов.

Радиоактивный распад

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.

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

Закон радиоактивного распада может быть также записан с использованием не числа атомов элемента, а концентрации атомов в образце, или массы атомов в образце.

Пример: если в образце находится \(m_{0}\ \)(кг) радиоактивного элемента, то через время, равное периоду полураспада t = T, в образце останется m(T) (кг): \(m(T) = \frac{m_{0}}{2^{T/T}} = \frac{m_{0}}{2}\) (кг). Спустя еще один период полураспада t = 2T, в образце останется m(2T) (кг): \(m\left( 2T \right) = \frac{m_{0}}{2^{2T/T}} = \frac{m_{0}}{2^{2}} = \frac{m_{0}}{4}\) (кг).

Спустя три периода полураспада t = 3T ― \(m\left( 3T \right) = \frac{m_{0}}{2^{3T/T}} = \frac{m_{0}}{2^{3}} = \frac{m_{0}}{8}\) (кг).

Спустя четыре периода полураспада t = 4T ― \(m\left( 4T \right) = \frac{m_{0}}{2^{4T/T}} = \frac{m_{0}}{2^{4}} = \frac{m_{0}}{16}\) (кг) и т. д.

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: \(Z_{1} + Z_{2} = Z_{3} + Z_{4}\).