Радиоактивный распад ядерные реакции

Лекция.

Строение ядра атома. Изотопы. Радиоактивный распад и ядерные реакции.

Цель: познакомиться с современными представлениями о строении ядра атома, научиться составлять уравнения ядерных процессов, проводить расчеты, связанные с дефектом массы, периодом полураспада, изотопным составом элемента.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, каждый из которых состоит из трех элементарных частиц-кварков. Кварки бывают шести сортов: желтые, красные, синие u и d. Кварки сильно взаимодействуют друг с другом, в каждом нуклоне содержится три кварка разных цветов, в протоне-uud, в нейтроне-udd.

Внутри ядра идет заполнение протонных и нейтронных оболочек, наиболее устойчивыми являются ядра, содержащие «магические» количества нуклонов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152.

Например: ₂⁴He; ₈¹⁶ O; ₂₀⁴⁰ Ca; ₈₂²⁰⁸ Pb.

Большинство элементов в периоде Представлены совокупностью изотопов. Изотопы бывают стабильными и радиоактивными (самопроизвольно распадающимися с испусканием частиц до образования стабильных изотопов). Изотопы могут быть естественными и искусственными — полученными в ходе ядерных реакций. Стабильных изотопов известно около 300, радиоактивных — более 1500. Элементы, имеющие только радиоактивные изотопы, называются радиоактивными: это № 43, 61, 84- 110.

Относительно атомная масса элемента вычисляется исходя из природного изотопного состава элемента.

Например, хлор представлены изотопами с массовыми числами 35(75.4%) и 37(24.6%). Какова его относительная атомная масса?

Ar (Cl) =

Обратная задача. Медь представлена изотопами с массовыми числами 63 и 65. Каково % содержания каждого изотопа в природе?

Ar (Cu) =63.546. Если изотопы ⁶³Cu x%, то ⁶⁵Сu — (100 — x%), тогда 63,546=

; отсюда x = 72.7% (⁶³Cu)

100 — x = 27.3% (⁶⁵Cu)

Изотопный состав элемента можно узнать по справочникам. Радиоактивные изотопы самопроизвольно распадаются:

— a-распад — испускание ядер гелия ₂⁴He:

₉₀²³²Th ^a^{— распад}

⁴ ₂ He+²²⁸ ₈₈ Ra

—

-распад- испускание электронов ⁰ −1e:

²³⁹₉₃Np

— -распад

⁰_-1 е+²³⁹₉₄ Pu

—

⁺-распад — испускание пазитрона ⁰₊₁е:

⁵⁵₂₇Co

^{+ —} ^распад

⁰₊₁е+⁵⁵₂₆Fe

При у-распаде ядро испускает коротковолновое и высокочастотное излучение без изменения А и Z.

Возможны также К- захват ( захват ядра электрона):

⁴⁰₁₉К+⁰_-1е

⁴⁰₁₈ Ar и спонтанное деление — распада ядра на несколько более лёгких ядер.

При составлении уравнений ядерных процессов нужно помнить, что сумма А и Z в левой и правой части уравнения должны быть соответственно равны.

К радикальным распадам применяется характеристика период полураспада ( T_1/2 )-

время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа.

По формулам: m=2^—ⁿ * m₀ ; n=

, где m- масса радиоактивного вещества, можно решать задачи типа:

Период полураспада изотопа 3ч, какая его масса остаётся через 18ч, если исходная масса 200г.

Решение: Число периодов полураспада n=

;

m=2^-6*200=

г.

Ответ: через 18ч останется 3,125г.

Ядерные реакции- превращения атомных ядер в результате их взаимодействия между собой и с элементарными частицами.

Первая ядерная реакция проведена в 1919г. Э.Резорфордом:

¹⁴₇N+⁴₂He

¹⁷₈O+¹₁H

Закончите уравнения ядерных реакций:

27₁₃Al+⁴₂He

¹⁰₅B + ¹₀n

He+?

В 1930г. Кислорода обнаружены изотопы ¹⁷O и ¹⁸O, более 90% приходится на

¹⁶О. Однако Ar(O)=15.9994 . Нет ли здесь противоречия? Ar<16 говорит о том, что у кислорода должен быть изотоп ¹⁵О, но его в природе нет. Ядро атома кислорода относиться к » магическим», в нём 8 протонов и 8 нейтронов, в таких ядрах происходит сильное взаимодействие между нуклонами, выделяется много энергии, поэтому выделяются дефекты массы

— разница между суммой масс протонов и нейтронов, составляющих ядро, и массой ядра. Это масса, перешедшею в энергию взаимодействия элементарных частиц, по формуле E=mc²

Задача: Какая энергия выделится при образовании ядра гелия из нуклонов.

Решение: Ядро гелия ⁴₂Heсостоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Относительная масса протона = 1,00866, нейтрона = 1,00866. Сумма масс нуклонов = 1,00728*2=4,03188. Ar(He)=4?00866(из периодической системы)