Номер 28, страница 253 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.28. В городе Дубна Московской области находится Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ), в котором на ускорителе тяжёлых ионов были синтезированы изотопы многих новых элементов Периодической системы. Так, бомбардировка ядер ${}^{244}\mathrm{Pu}$ (мишени) ионами ${}^{48}\mathrm{Ca}$ привела к образованию ядер изотопа элемента с номером 114 (флеровий, ${}^{288}\mathrm{Fl}$). Запишите уравнение этой ядерной реакции. Кратко поясните, почему мишень облучают ионами, а не нейтральными атомами.

Запишите уравнение этой ядерной реакции.

Решение

Чтобы записать уравнение ядерной реакции, необходимо применить законы сохранения массового числа (A, верхний индекс) и зарядового числа (Z, нижний индекс). В реакции участвуют ядро плутония-244 ($^{244}\text{Pu}$) и ядро кальция-48 ($^{48}\text{Ca}$), в результате чего образуется ядро флеровия-288 ($^{288}\text{Fl}$) и, возможно, другие частицы.

Зарядовые числа (порядковые номера в Периодической системе) для элементов: плутоний (Pu) Z=94, кальций (Ca) Z=20, флеровий (Fl) Z=114 (указано в условии).

Запишем схему реакции, обозначив неизвестные частицы как $x \cdot ^a_bY$:

$$^{244}_{94}\text{Pu} + ^{48}_{20}\text{Ca} \rightarrow ^{288}_{114}\text{Fl} + x \cdot ^a_bY$$

Сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции:

$94 + 20 = 114 + x \cdot b$

$114 = 114 + x \cdot b$

Отсюда следует, что $x \cdot b = 0$. Это означает, что испускаемые частицы не имеют заряда ($b=0$), то есть это нейтроны ($^1_0\text{n}$).

Теперь применим закон сохранения массового числа (суммы нуклонов):

$244 + 48 = 288 + x \cdot a$

$292 = 288 + x \cdot a$

Отсюда $x \cdot a = 4$. Так как для нейтрона массовое число $a=1$, получаем, что количество нейтронов $x = 4$.

Таким образом, в ходе реакции образуется 4 нейтрона.

Ответ: Уравнение ядерной реакции синтеза флеровия имеет вид:

$$^{244}_{94}\text{Pu} + ^{48}_{20}\text{Ca} \rightarrow ^{288}_{114}\text{Fl} + 4 \cdot ^{1}_{0}\text{n}$$

Кратко поясните, почему мишень облучают ионами, а не нейтральными атомами.

Решение

Для осуществления реакции ядерного синтеза необходимо, чтобы бомбардирующие частицы (в данном случае ядра кальция) имели очень большую кинетическую энергию. Эта энергия требуется для преодоления кулоновского барьера — сил электростатического отталкивания между положительно заряженными ядрами мишени (плутония) и налетающими частицами (кальция).

Для придания частицам необходимой энергии используются ускорители. Принцип действия ускорителей основан на взаимодействии заряженных частиц с электрическими и/или магнитными полями. Сильное электрическое поле разгоняет частицу, увеличивая ее скорость и энергию, а магнитное поле используется для управления ее траекторией.

Нейтральный атом имеет нулевой суммарный электрический заряд. Поэтому электрическое и магнитное поля не могут оказать на него силового воздействия и, следовательно, не могут его ускорить. Чтобы частицу можно было разогнать в ускорителе, ее необходимо ионизировать — лишить одного или нескольких электронов. В результате атом превращается в положительно заряженный ион, который уже можно эффективно ускорять до требуемых энергий.

Ответ: Мишень облучают ионами, а не нейтральными атомами, потому что ускорители частиц используют электрические и магнитные поля для разгона. Эти поля действуют только на заряженные частицы. Нейтральные атомы не имеют заряда, поэтому их невозможно ускорить до энергий, достаточных для преодоления сил отталкивания ядер и осуществления ядерной реакции.