Что нужно знать
Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или частицей, в результате которого образуются новые ядра и частицы. Ядерные реакции могут происходить при столкновении ядер с частицами или при взаимодействии ядер между собой. В любой ядерной реакции сохраняются электрический заряд и массовое число: суммарные заряды и суммарные массовые числа до реакции и после неё одинаковы. Запись ядерной реакции имеет вид: A + a → B + b, где A и B — исходное и образовавшееся ядра, a и b — участвующие частицы. Важной характеристикой реакции является энергетический эффект Q, который определяется разностью энергий покоя исходных и конечных частиц: Q = (m₁ − m₂)c², где m₁ и m₂ — суммарные массы частиц до и после реакции (в килограммах), c — скорость света в вакууме (м/с), Q измеряется в джоулях (Дж). Если Q > 0, реакция сопровождается выделением энергии, а если Q < 0 — поглощением энергии. Ядерные реакции применяются, например, в ядерных энергетических установках, где энергия деления тяжёлых ядер используется для получения электричества. Типичная ошибка учеников — путать массовое число с массой ядра и забывать, что при записи реакции должны отдельно сохраняться массовое число и электрический заряд.
Тест: 11 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют ядерной реакцией?
- Процесс взаимодействия атомных ядер или ядер с частицами, сопровождающийся образованием новых ядер и частиц
- Процесс испускания света атомом без изменения его ядра
- Процесс изменения агрегатного состояния вещества
- Процесс изменения положения электронов на энергетических уровнях атома
При ядерной реакции изменяется состав или состояние атомных ядер, в результате чего могут образовываться новые ядра и частицы.
2. Какие величины обязательно сохраняются при ядерной реакции?
- Только число нейтронов
- Электрический заряд и массовое число
- Число электронов и температура вещества
- Только масса исходных ядер
При записи ядерной реакции сумма электрических зарядов и сумма массовых чисел исходных частиц равны соответствующим суммам конечных частиц.
3. Какую частицу обычно обозначают символом ⁴₂He в записи ядерных реакций?
- Электрон
- Нейтрон
- Альфа-частица
- Протон
Ядро гелия ⁴₂He содержит два протона и два нейтрона и представляет собой альфа-частицу.
4. В каких единицах СИ измеряется энергетический эффект ядерной реакции?
- В кулонах (Кл)
- В килограммах (кг)
- В ньютонах (Н)
- В джоулях (Дж)
Энергетический эффект является энергией, а единицей измерения энергии в СИ служит джоуль.
5. Какое утверждение правильно описывает реакцию деления тяжёлого ядра?
- Тяжёлое ядро распадается на два более лёгких ядра и обычно несколько нейтронов
- Ядро превращается в электронную оболочку
- Два лёгких ядра объединяются в одно тяжёлое ядро
- Число протонов и нейтронов в ядре всегда остаётся неизменным
При делении тяжёлого ядра образуются два более лёгких ядра и дополнительные нейтроны. Этот процесс сопровождается выделением энергии.
6. Почему ядерные реакции деления используются на атомных электростанциях?
- Потому что при делении ядер полностью исчезает вещество
- Потому что при делении ядер выделяется энергия, которую можно использовать для получения электричества
- Потому что ядерные реакции не сопровождаются выделением тепла
- Потому что при делении ядер образуется электрический ток непосредственно в атомном ядре
Энергия, выделяющаяся при делении ядер, нагревает теплоноситель, а полученная тепловая энергия используется для работы электростанции.
7. Какая частица должна образоваться в реакции ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + X?
- Нейтрон ¹₀n
- Альфа-частица ⁴₂He
- Протон ¹₁H
- Электрон ⁰₋₁e
По сохранению массового числа: 14 + 4 = 17 + A, откуда A = 1. По сохранению заряда: 7 + 2 = 8 + Z, откуда Z = 1. Следовательно, X — протон.
8. При ядерной реакции суммарная масса исходных частиц равна 10 кг, а суммарная масса конечных частиц — 9 кг. Какой энергетический эффект имеет реакция? Используйте c = 3 · 10⁸ м/с.
- 3 · 10¹⁶ Дж, энергия выделяется
- 9 · 10⁸ Дж, энергия поглощается
- 3 · 10⁸ Дж, энергия поглощается
- 9 · 10¹⁶ Дж, энергия выделяется
Q = (m₁ − m₂)c² = (10 − 9) · (3 · 10⁸)² = 9 · 10¹⁶ Дж. Поскольку Q > 0, энергия выделяется.
10. В результате ядерной реакции выделилось 4,5 · 10¹³ Дж энергии. Какова масса, соответствующая этой энергии? Используйте c = 3 · 10⁸ м/с.
- 5 · 10⁻⁴ кг
- 4,5 · 10⁻⁴ кг
- 1,5 · 10⁻⁴ кг
- 5 · 10⁻⁵ кг
Используем формулу E = mc². Тогда m = E / c² = (4,5 · 10¹³) / (9 · 10¹⁶) = 5 · 10⁻⁴ кг.
11. При реакции ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + X определите частицу X.
- Один нейтрон
- Три нейтрона
- Два нейтрона
- Четыре нейтрона
По сохранению массового числа: 235 + 1 = 141 + 92 + A, откуда A = 3. По сохранению заряда: 92 = 56 + 36, поэтому заряд X равен нулю. Следовательно, X — три нейтрона.
12. Какое утверждение правильно характеризует цепную ядерную реакцию деления?
- Каждое деление ядра обязательно прекращает дальнейшие ядерные реакции
- В цепной реакции число участвующих ядер всегда остаётся постоянным
- Нейтроны, возникающие при делении ядер, могут вызывать деление других ядер
- Цепная реакция возможна только при полном отсутствии нейтронов
При делении тяжёлого ядра выделяются нейтроны, которые могут попадать в другие ядра и вызывать их деление. Благодаря этому процесс способен поддерживать сам себя.