Теория:
Атомные ядра с одинаковым массовым числом, но с разными зарядовыми числами называются изобарами. Экспериментально установлено, что одному массовому числу обычно соответствует только один стабильный изобар. Остальные оказываются нестабильными и за довольно короткий промежуток времени либо делятся на две части, либо изменяют заряд на единицу посредством распада нейтрона на протон, электрон и другие частицы.
Зависимость числа нераспавшихся нестабильных ядер изначально была получена экспериментально:
\(N=N_0\cdot 2^{-\frac{t}{T}}\). (\(1\))
Формула (\(1\)) называется законом радиоактивного распада, где
Зависимость числа нераспавшихся нестабильных ядер изначально была получена экспериментально:
\(N=N_0\cdot 2^{-\frac{t}{T}}\). (\(1\))
Формула (\(1\)) называется законом радиоактивного распада, где
\(N_0\) — начальное количество нераспавшихся ядер в момент времени \(t=0\),
\(N\) — количество нераспавшихся ядер в момент времени \(t\),
\(T\) — период полураспада, время, за которое распадается приблизительно половина вещества.
В общем случае любую ядерную реакцию (процесс взаимодействия ядер, сопровождающийся изменением состава ядра) можно представить в виде:
\(A+a\; \rightarrow\; B+b\). (\(2\))
Важно отметить, что во всех реакциях выполняется закон сохранения заряда и массы. Рассмотрим виды ядерных реакций.
В общем случае любую ядерную реакцию (процесс взаимодействия ядер, сопровождающийся изменением состава ядра) можно представить в виде:
\(A+a\; \rightarrow\; B+b\). (\(2\))
Важно отметить, что во всех реакциях выполняется закон сохранения заряда и массы. Рассмотрим виды ядерных реакций.
Альфа-распад (\(\alpha\)-распад)
Это деление ядра на альфа-частицу и ядро-остаток. Обычно в альфа-распаде участвуют ядра тяжёлых элементов с порядковым номером \(Z\geq 82\). Первый альфа-распад наблюдался на изотопе урана:\(_{92}^{238}U\; \rightarrow\; _{90}^{234}Th+_{2}^{4}He\). (\(3\))
Иногда при альфа-распаде часть энергии не переходит в кинетическую, а идёт на возбуждение ядра-продукта, которое впоследствии излучает фотон.
Электронный бета-распад (\(\beta\)-распад)
Это спонтанное излучение электрона ядром вследствие превращения нейтрона в протон. В этой реакции по закону сохранения энергии должна рождаться ещё одна нейтральная безмассовая частица, которая была названа нейтрино:\(_0^{1}n \rightarrow _1^{1}p + e^{-} + _0^0\tilde{\nu}\), (\(4\))
где \(_0^0\tilde{\nu}\) — электронное антинейтрино.
В эксперименте появляется античастица нейтрино — антинейтрино. Однако из-за того, что бета-распад был обнаружен раньше, чем были обнаружены античастицы, обнаруженную частицу сначала назвали просто нейтрино.
Так, бета-распад калия можно записать:
\(_{19}^{40}K\;\rightarrow\; _{20}^{40}Ca + e^{-} + _0^{0}\tilde{\nu}\). (\(5\))
Как и альфа-распад, бета-распад может сопровождаться излучением фотона.
Позитронный бета-распад (позитронный \(\beta\)-распад)
При таком типе распада один из протонов ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. В настоящее время известно три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, но при бета-распадах появляется именно электронное нейтрино или электронное антинейтрино:
\(_{1}^{1}p\;\rightarrow\; _0^{1}n+ e^{+} +_0^{0}\tilde{\nu}\). (\(6\))
\(_{1}^{1}p\;\rightarrow\; _0^{1}n+ e^{+} +_0^{0}\tilde{\nu}\). (\(6\))
Ещё один пример ядерных реакций — это гамма-распад (\(\gamma\)-распад).
Деление ядер
Это спонтанное деление ядра на две части. Этот тип распада характерен для элементов, которые тяжелее урана. Продукты распада называются ядрами-осколками. Деления ядер урана:
\(_{92}^{236}U\; \rightarrow\; _{56}^{141}Ba+_{36}^{92}Kr+3n.\) (\(7\))
\(_{92}^{236}U\; \rightarrow\; _{56}^{141}Ba+_{36}^{92}Kr+3n.\) (\(7\))
Возможность цепных ядерных реакций была спрогнозирована в \(1934\) году супругами Кюри. В \(1939\) году было обнаружено, что при делении ядра урана (изотоп \(235\)) освобождается \(2\)–\(3\) нейтрона. При попадании этих нейтронов в другие ядра урана-\(235\) возможна ситуация, когда эти ядра тоже будут делиться. Но при попадании в ядра урана-\(238\) эти нейтроны просто поглощаются. Это называется цепной реакцией. Необходимым условием этой реакции является наличие критической массы.
На цепных ядерных реакциях основан принцип работы ядерных электростанций. Энергия, выделяющаяся при ядерной реакции, идёт на нагрев теплоносителя (например, воды), который нагревает и испаряет воду, после чего водяной пар направляется на лопасти турбины.
Энергия в ядерных реакциях может выделяться не только за счёт деления тяжёлых ядер, но и за счёт соединения лёгких. Такие реакции называют термоядерными, поскольку для их прохождения нужна высокая температура плазмы.
Например, термоядерные реакции синтеза гелия:
\( _1^{3}H+_1^{2}H \;\rightarrow\; _2^4He+_0^1n,\; _1^2H+_1^2H\rightarrow _2^4He.\) (\(8\))