Страница 251 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

74.1 [н] Какие из приведённых ниже превращений можно отнести к ядерным реакциям?

а) $\prescript{2}{1}{\text{H}} + \gamma \to \prescript{1}{1}{\text{H}} + \prescript{1}{0}{n}$

б) $\prescript{9}{4}{\text{Be}} + \prescript{4}{2}{\text{He}} \to \prescript{12}{6}{\text{C}} + \prescript{1}{0}{n}$

в) $\prescript{45}{26}{\text{Fe}} \to \prescript{43}{24}{\text{Cr}} + 2\prescript{1}{1}{\text{H}}$

г) $\prescript{19}{9}{\text{F}} + \prescript{4}{2}{\text{He}} \to \prescript{22}{10}{\text{Ne}} + \prescript{1}{1}{\text{H}}$

д) $\prescript{8}{4}{\text{Be}} \to \prescript{4}{2}{\text{He}} + \prescript{4}{2}{\text{He}}$

Выберите правильный ответ.

1) б, в, г 2) а, в, д 3) а, б, г 4) б, в, г, д 5) а, б, в, г, д

Решение

Ядерная реакция — это процесс превращения атомных ядер, вызванный их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом, или спонтанный распад ядер. Основным признаком ядерной реакции является изменение состава ядра (числа протонов или нейтронов). Проверим каждое из предложенных превращений на соответствие этому определению, а также на соблюдение законов сохранения массового числа (суммы верхних индексов) и заряда (суммы нижних индексов).

а) $ _{1}^{2}\textrm{H} + \gamma \rightarrow _{1}^{1}\textrm{H} + _{0}^{1}\textrm{n} $

Это реакция фоторасщепления дейтрона. Ядро дейтерия ($_{1}^{2}\textrm{H}$) под действием гамма-кванта ($\gamma$) распадается на протон ($_{1}^{1}\textrm{H}$) и нейтрон ($_{0}^{1}\textrm{n}$). Происходит изменение состава исходного ядра. Законы сохранения выполняются: массовое число $2 = 1+1$ и заряд $1 = 1+0$. Следовательно, это ядерная реакция.

б) $ _{4}^{9}\textrm{Be} + _{2}^{4}\textrm{He} \rightarrow _{6}^{12}\textrm{C} + _{0}^{1}\textrm{n} $

Это реакция взаимодействия ядра бериллия-9 с альфа-частицей ($_{2}^{4}\textrm{He}$). В результате образуется ядро углерода-12 ($_{6}^{12}\textrm{C}$) и нейтрон ($_{0}^{1}\textrm{n}$). Исходные ядра превращаются в новые. Законы сохранения выполняются: массовое число $9+4 = 12+1$ (т.е. $13=13$) и заряд $4+2 = 6+0$ (т.е. $6=6$). Это ядерная реакция.

в) $ _{26}^{45}\textrm{Fe} \rightarrow _{24}^{43}\textrm{Cr} + 2_{1}^{1}\textrm{H} $

Это реакция двухпротонного распада. Ядро железа-45 ($_{26}^{45}\textrm{Fe}$) спонтанно распадается на ядро хрома-43 ($_{24}^{43}\textrm{Cr}$) и два протона ($_{1}^{1}\textrm{H}$). Происходит превращение одного ядра в другое. Законы сохранения выполняются: массовое число $45 = 43+2 \cdot 1$ и заряд $26 = 24+2 \cdot 1$. Это ядерная реакция.

г) $ _{9}^{19}\textrm{F} + _{2}^{4}\textrm{He} \rightarrow _{10}^{22}\textrm{Ne} + _{1}^{1}\textrm{H} $

Это реакция взаимодействия ядра фтора-19 с альфа-частицей. В результате образуются ядро неона-22 ($_{10}^{22}\textrm{Ne}$) и протон ($_{1}^{1}\textrm{H}$). Исходные ядра превращаются в новые. Законы сохранения выполняются: массовое число $19+4 = 22+1$ (т.е. $23=23$) и заряд $9+2 = 10+1$ (т.е. $11=11$). Это ядерная реакция.

д) $ _{4}^{8}\textrm{Be} \rightarrow _{2}^{4}\textrm{He} + _{2}^{4}\textrm{He} $

Это реакция спонтанного распада (деления) ядра бериллия-8 на две альфа-частицы. Исходное ядро превращается в два других ядра. Законы сохранения выполняются: массовое число $8 = 4+4$ и заряд $4 = 2+2$. Это ядерная реакция.

Таким образом, все перечисленные процессы (а, б, в, г, д) являются ядерными реакциями, поскольку в каждом из них происходит изменение состава и структуры атомных ядер.

Ответ: 5) а, б, в, г, д

74.2 [н] Какая из ядерных реакций, приведённых в условии предыдущей задачи, явилась первым экспериментальным доказательством существования нейтрона?

Решение

Первым экспериментальным доказательством существования нейтрона стала ядерная реакция, открытая английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Это открытие было сделано в ходе экспериментов по бомбардировке лёгких элементов альфа-частицами.

Чедвик направлял альфа-частицы, испускаемые радиоактивным полонием-210, на мишень из бериллия. Он обнаружил, что из бериллия испускается сильно проникающее излучение, которое само по себе не вызывало ионизации. Однако это излучение, попадая на вещество, богатое протонами (например, парафин), выбивало из него протоны большой энергии. Изначально предполагалось, что это жёсткое гамма-излучение, но расчёты показали, что для выбивания таких протонов гамма-кванты должны были бы обладать неправдоподобно высокой энергией.

Чедвик предположил, что это излучение является потоком нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона. Он назвал эти частицы нейтронами. Протекающая при этом ядерная реакция имеет вид:

$$ ^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He \rightarrow ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n $$

В этой реакции ядро бериллия ($^{9}_{4}Be$), захватывая альфа-частицу ($^{4}_{2}He$), превращается в ядро углерода ($^{12}_{6}C$) и испускает нейтрон ($^{1}_{0}n$). Именно эта реакция и её тщательный анализ послужили неопровержимым доказательством существования новой элементарной частицы — нейтрона.

Ответ: Первым экспериментальным доказательством существования нейтрона явилась ядерная реакция взаимодействия альфа-частиц с ядрами бериллия: $ ^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He \rightarrow ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n $.

74.3 [н] Напишите первую в истории ядерную реакцию, осуществлённую Э. Резерфордом, в результате которой был открыт протон.

74.3 [н]

Решение

Первая в истории искусственная ядерная реакция была проведена Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Этот эксперимент стал ключевым моментом в ядерной физике, так как он впервые продемонстрировал возможность искусственного превращения элементов и привел к открытию протона как составной части атомного ядра.

В ходе эксперимента Резерфорд бомбардировал ядра атомов азота-14 альфа-частицами (ядрами гелия-4), которые испускал радиоактивный источник. В результате столкновения альфа-частицы с ядром азота происходила ядерная реакция. Резерфорд обнаружил, что из камеры с азотом вылетают частицы, которые оказались ядрами водорода — протонами. Одновременно с этим ядро азота превращалось в ядро изотопа кислорода-17.

Уравнение этой ядерной реакции записывается следующим образом:

$${_{7}^{14}}N + {_{2}^{4}}He \rightarrow {_{8}^{17}}O + {_{1}^{1}}p$$

В данной реакции:

• $${_{7}^{14}}N$$ – ядро атома азота.
• $${_{2}^{4}}He$$ – альфа-частица (ядро атома гелия).
• $${_{8}^{17}}O$$ – ядро изотопа кислорода.
• $${_{1}^{1}}p$$ – протон (ядро атома водорода).

При записи реакции соблюдаются законы сохранения:
1. Закон сохранения массового числа (сумма верхних индексов): $14 + 4 = 17 + 1$.
2. Закон сохранения заряда (сумма нижних индексов): $7 + 2 = 8 + 1$.

Ответ: Первая в истории ядерная реакция, осуществлённая Э. Резерфордом, в результате которой был открыт протон: $${_{7}^{14}}N + {_{2}^{4}}He \rightarrow {_{8}^{17}}O + {_{1}^{1}}p$$

74.4 [н] Ядерную реакцию получения нуклида углерода $ ^{11}\text{C} $, широко применяемого в медицине для диагностики заболеваний, можно сокращенно записать в виде: $ ^{11}\text{B}(\text{p,n})^{11}\text{C} $. Напишите эту реакцию в известной вам развёрнутой форме.

Решение

Сокращённая запись ядерной реакции вида $A(a,b)B$ означает, что ядро-мишень $A$ бомбардируется частицей $a$, в результате чего образуется ядро $B$ и испускается частица $b$.

В данной задаче нам дана реакция $^{11}\text{B}(\text{p,n})^{11}\text{C}$. Расшифруем её компоненты:

• Ядро-мишень: $^{11}\text{B}$ — изотоп бора с массовым числом 11. Порядковый номер бора в таблице Менделеева $Z=5$, поэтому его полное обозначение — $^{11}_5\text{B}$.
• Бомбардирующая частица: $\text{p}$ — протон. Протон имеет массовое число $A=1$ и заряд $Z=1$, его обозначение — $^1_1\text{p}$.
• Испускаемая частица: $\text{n}$ — нейтрон. Нейтрон имеет массовое число $A=1$ и заряд $Z=0$, его обозначение — $^1_0\text{n}$.
• Конечное ядро: $^{11}\text{C}$ — изотоп углерода с массовым числом 11. Порядковый номер углерода $Z=6$, поэтому его полное обозначение — $^{11}_6\text{C}$.

Теперь запишем уравнение реакции в развёрнутом виде, где слева от стрелки указываются исходные ядра и частицы, а справа — конечные.

$^{11}_5\text{B} + ^1_1\text{p} \rightarrow ^{11}_6\text{C} + ^1_0\text{n}$

Для проверки правильности записи уравнения воспользуемся законами сохранения массового числа и заряда.

1. Закон сохранения массового числа (числа нуклонов). Сумма массовых чисел (верхние индексы) до реакции должна быть равна сумме массовых чисел после реакции.
Слева: $11 + 1 = 12$.
Справа: $11 + 1 = 12$.
Закон сохранения выполняется ($12=12$).

2. Закон сохранения заряда. Сумма зарядовых чисел (нижние индексы) до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции.
Слева: $5 + 1 = 6$.
Справа: $6 + 0 = 6$.
Закон сохранения выполняется ($6=6$).

Таким образом, уравнение ядерной реакции записано верно.

Ответ: Развёрнутая форма ядерной реакции: $^{11}_5\text{B} + ^1_1\text{p} \rightarrow ^{11}_6\text{C} + ^1_0\text{n}$.

74.5 [н] Под действием каких частиц ($ \alpha $-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны? Ответ поясните.

Ядерные реакции более эффективны под действием нейтронов по сравнению с α-частицами.

Это объясняется различием в их электрических зарядах и, как следствие, разным характером взаимодействия с атомными ядрами.

Альфа-частица ($ _2^4\text{He} $) представляет собой ядро атома гелия и несет положительный заряд $+2e$. Атомное ядро-мишень, с которым она должна провзаимодействовать, также заряжено положительно. Поэтому при сближении α-частицы с ядром возникает сильная сила электростатического отталкивания, называемая кулоновским барьером. Для того чтобы α-частица смогла преодолеть этот барьер и попасть в сферу действия ядерных сил, вызвав реакцию, она должна обладать значительной кинетической энергией, то есть ее нужно сильно разогнать.

Нейтрон ($ _0^1\text{n} $), в свою очередь, является электрически нейтральной частицей. Из-за отсутствия заряда он не испытывает кулоновского отталкивания со стороны ядра. Это позволяет нейтронам, даже обладающим очень малой кинетической энергией (так называемым тепловым нейтронам), беспрепятственно проникать в атомные ядра и инициировать ядерные реакции (например, захват нейтрона или деление ядра).

Таким образом, способность нейтронов легко проникать в ядра без необходимости преодолевать энергетический барьер делает их гораздо более эффективными частицами для осуществления ядерных превращений.

Ответ: Ядерные реакции более эффективны под действием нейтронов. Это связано с тем, что нейтроны не имеют электрического заряда и, в отличие от положительно заряженных α-частиц, не испытывают электростатического (кулоновского) отталкивания от положительно заряженных атомных ядер, что позволяет им легче проникать в ядро и вызывать реакцию даже при низких энергиях.

74.6 [н] При бомбардировке быстрыми нейтронами нуклид урана $^\text{235}_\text{92}\text{U}$ делится на две части — нуклид цезия $^\text{140}_\text{55}\text{Cs}$ и нуклид рубидия $^\text{94}_\text{37}\text{Rb}$. Напишите реакцию деления ядра. Испусканием каких элементарных частиц сопровождается эта ядерная реакция?

Дано:

Реакция деления ядра урана-235 ($_{92}^{235}U$) под действием нейтрона ($_{0}^{1}n$).

Продукты деления (осколки): ядро цезия-140 ($_{55}^{140}Cs$) и ядро рубидия-94 ($_{37}^{94}Rb$).

Найти:

1. Уравнение реакции деления ядра.

2. Какие элементарные частицы испускаются в ходе реакции.

Решение:

Напишите реакцию деления ядра.

Ядерная реакция должна подчиняться законам сохранения зарядового числа (порядкового номера элемента) и массового числа (числа нуклонов в ядре). Запишем схему реакции, где слева находятся исходные частицы (ядро урана и бомбардирующий его нейтрон), а справа — продукты реакции (ядра цезия, рубидия и некоторое количество $x$ неизвестных частиц $_{Z}^{A}Y$).

$_{92}^{235}U + _{0}^{1}n \rightarrow _{55}^{140}Cs + _{37}^{94}Rb + x \cdot _{Z}^{A}Y$

Применим закон сохранения зарядового числа (сумма нижних индексов в левой и правой частях уравнения должна быть одинакова):

$92 + 0 = 55 + 37 + x \cdot Z$

$92 = 92 + x \cdot Z$

Отсюда следует, что суммарный заряд испускаемых частиц равен нулю: $x \cdot Z = 0$.

Теперь применим закон сохранения массового числа (сумма верхних индексов также должна быть одинакова):

$235 + 1 = 140 + 94 + x \cdot A$

$236 = 234 + x \cdot A$

Отсюда находим суммарное массовое число испускаемых частиц: $x \cdot A = 236 - 234 = 2$.

Таким образом, в результате реакции образуются частицы с зарядом $Z=0$ и массовым числом $A \neq 0$. Единственная такая известная элементарная частица — это нейтрон ($_{0}^{1}n$). Так как их суммарное массовое число равно 2, а массовое число одного нейтрона равно 1, то в реакции испускается $x=2$ нейтрона.

Полное уравнение реакции деления выглядит следующим образом:

$_{92}^{235}U + _{0}^{1}n \rightarrow _{55}^{140}Cs + _{37}^{94}Rb + 2 \cdot _{0}^{1}n$

Ответ: $_{92}^{235}U + _{0}^{1}n \rightarrow _{55}^{140}Cs + _{37}^{94}Rb + 2 \cdot _{0}^{1}n$.

Испусканием каких элементарных частиц сопровождается эта ядерная реакция?

Как было установлено при составлении уравнения реакции, для выполнения законов сохранения зарядового и массового чисел необходимо, чтобы помимо осколков деления (ядер цезия и рубидия) испускались две частицы с зарядом 0 и массовым числом 1. Этими частицами являются нейтроны.

Ответ: Эта ядерная реакция сопровождается испусканием нейтронов.

74.7 [н] Для урана $&_{92}^{235}\text{U}&$ масса 50 кг является критической. Объясните, что это значит.

74.7 [Н]

Критическая масса – это наименьшая масса делящегося вещества (в данном случае урана-235, $_{92}^{235}\text{U}$), при которой в нем может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Процесс цепной реакции заключается в следующем:

1. Ядро урана-235, поглотив один нейтрон, делится на два (или более) осколка.
2. При этом делении высвобождается большое количество энергии и несколько новых нейтронов (в среднем 2-3).
3. Эти новые нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер урана-235, что приводит к экспоненциальному росту числа делений, если условия благоприятны.

Однако не все испущенные нейтроны вызывают новые деления. Часть из них может вылететь за пределы образца урана, а часть может быть поглощена ядрами без деления. Успешность поддержания реакции зависит от баланса между производством нейтронов и их потерей. Этот баланс характеризуется коэффициентом размножения нейтронов $k$ – отношением числа нейтронов в последующем "поколении" к числу нейтронов в предыдущем.

• Если масса урана меньше критической ($m < 50$ кг), то $k < 1$. Потери нейтронов превышают их производство (слишком много нейтронов улетает с поверхности). Цепная реакция быстро затухает. Такое состояние называется подкритическим.
• Если масса урана равна критической ($m = 50$ кг), то $k = 1$. Производство нейтронов в объеме вещества точно компенсирует их потерю через поверхность. Цепная реакция становится самоподдерживающейся и протекает с постоянной интенсивностью. Это состояние называется критическим.
• Если масса урана больше критической ($m > 50$ кг), то $k > 1$. Производство нейтронов преобладает над потерями. Число делений лавинообразно нарастает, что приводит к выделению огромного количества энергии за короткое время – ядерному взрыву. Это состояние называется надкритическим.

Таким образом, утверждение, что для урана $_{92}^{235}\text{U}$ масса 50 кг является критической, означает, что именно при такой массе (для образца определенной формы, обычно шара) создаются условия для стационарной, самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

Ответ: Это значит, что в куске урана-235 массой 50 кг количество нейтронов, рождающихся в результате деления ядер, в среднем равно количеству нейтронов, теряющихся (вылетающих из куска или поглощающихся без деления). В результате в таком куске может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция с постоянной мощностью.

74.8 [н] Какие частицы преобладают в нуклидах $_{55}^{140}\text{Cs}$ и $_{37}^{94}\text{Rb}$ — продуктах деления ядра урана $_{92}^{235}\text{U}$? Являются ли эти нуклиды стабильными? Какие частицы испускают эти нуклиды в процессе радиоактивного распада?

Дано:

Найти:

Решение:

Какие частицы преобладают в нуклидах $_{55}^{140}\text{Cs}$ и $_{37}^{94}\text{Rb}$?

Для определения состава ядра нуклида $_{Z}^{A}X$ необходимо найти число протонов $Z$ (порядковый номер в таблице Менделеева) и число нейтронов $N$, которое вычисляется как разность между массовым числом $A$ и числом протонов $Z$: $N = A - Z$.

Для нуклида цезия $_{55}^{140}\text{Cs}$:

• Число протонов $Z = 55$.
• Число нейтронов $N = 140 - 55 = 85$.

Поскольку $85 > 55$, в ядре цезия-140 преобладают нейтроны.

Для нуклида рубидия $_{37}^{94}\text{Rb}$:

• Число протонов $Z = 37$.
• Число нейтронов $N = 94 - 37 = 57$.

Поскольку $57 > 37$, в ядре рубидия-94 также преобладают нейтроны.

Ответ: В обоих нуклидах, и в $_{55}^{140}\text{Cs}$, и в $_{37}^{94}\text{Rb}$, число нейтронов превышает число протонов, то есть преобладают нейтроны.

Являются ли эти нуклиды стабильными?

Стабильность ядра зависит от соотношения числа нейтронов $N$ к числу протонов $Z$. Тяжелое ядро урана $_{92}^{235}\text{U}$ имеет $N = 235 - 92 = 143$ нейтрона, и отношение $N/Z$ для него составляет $143/92 \approx 1.55$. Продукты деления, как правило, наследуют это высокое соотношение $N/Z$, что делает их нестабильными, поскольку для ядер в их диапазоне масс (средние массовые числа) стабильное отношение $N/Z$ значительно ниже.

• Для $_{55}^{140}\text{Cs}$ отношение $N/Z = 85/55 \approx 1.55$. Единственный стабильный изотоп цезия — это $_{55}^{133}\text{Cs}$, для которого $N = 133-55=78$, а отношение $N/Z \approx 1.42$. Таким образом, $_{55}^{140}\text{Cs}$ имеет значительный избыток нейтронов и является нестабильным (радиоактивным).
• Для $_{37}^{94}\text{Rb}$ отношение $N/Z = 57/37 \approx 1.54$. Наиболее распространенный стабильный изотоп рубидия — это $_{37}^{85}\text{Rb}$, у которого $N = 85-37=48$, а отношение $N/Z \approx 1.30$. Следовательно, $_{37}^{94}\text{Rb}$ также перегружен нейтронами и нестабилен.

Ответ: Нет, оба нуклида являются нестабильными (радиоактивными) из-за избытка нейтронов.

Какие частицы испускают эти нуклиды в процессе радиоактивного распада?

Нуклиды с избытком нейтронов стремятся к стабильности путем уменьшения отношения $N/Z$. Основным механизмом такого превращения является бета-минус распад ($\beta^-$-распад). В ходе этого процесса один из нейтронов в ядре превращается в протон, при этом из ядра испускается электрон ($e^-$ или $\beta^-$-частица) и электронное антинейтрино ($\bar{\nu}_e$).

Схема $\beta^-$-распада: $n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$.

В результате зарядовое число ядра увеличивается на единицу ($Z \rightarrow Z+1$), а число нейтронов уменьшается на единицу ($N \rightarrow N-1$), при этом массовое число $A$ не меняется. Это приводит к образованию ядра нового элемента, которое находится ближе к области стабильности.

Ответ: В процессе радиоактивного распада данные нуклиды испускают электроны (бета-частицы).

74.9 [н] Где в природе происходят термоядерные реакции? В чём отличие термоядерной реакции от реакции деления ядра?

Где в природе происходят термоядерные реакции?

Термоядерные реакции в природе происходят в недрах звёзд, включая наше Солнце. Звезды представляют собой гигантские природные термоядерные реакторы. Условия для протекания таких реакций — чрезвычайно высокая температура (десятки миллионов кельвинов) и огромное давление, которые существуют в звёздных ядрах.

При таких условиях кинетическая энергия атомных ядер становится достаточной для преодоления сил электростатического отталкивания (кулоновского барьера), что позволяет им сближаться на расстояния, где начинают действовать сильные ядерные взаимодействия, и сливаться в более тяжёлые ядра. Этот процесс называется ядерным синтезом.

Основным источником энергии для большинства звёзд, подобных Солнцу, является протон-протонный цикл, в ходе которого ядра водорода (протоны) последовательно сливаются, образуя в итоге ядро гелия. Суммарная реакция выглядит так: $4\,^1_1\text{H} \rightarrow \,^4_2\text{He} + 2e^+ + 2\nu_e + E$ где $^1_1\text{H}$ — протон, $^4_2\text{He}$ — ядро гелия (альфа-частица), $e^+$ — позитрон, $\nu_e$ — электронное нейтрино, а $E$ — выделяющаяся энергия. Эта энергия, выделяющаяся в виде излучения, и обеспечивает свечение звёзд.

Ответ: В природе термоядерные реакции происходят в ядрах звёзд.

В чём отличие термоядерной реакции от реакции деления ядра?

Термоядерная реакция (синтез) и реакция деления ядра — это два различных типа ядерных реакций, в ходе которых выделяется энергия, но они принципиально отличаются по своей сути.

Основные отличия:

• Процесс: Термоядерный синтез — это процесс слияния лёгких атомных ядер в одно более тяжёлое. Реакция деления — это процесс расщепления одного тяжёлого атомного ядра на два или более лёгких осколка.
• Исходные вещества (реагенты): В реакциях синтеза участвуют лёгкие элементы, такие как изотопы водорода (дейтерий $^2_1\text{H}$, тритий $^3_1\text{T}$) или гелий. В реакциях деления участвуют тяжёлые, нестабильные элементы, например, уран-235 ($^{235}_{92}\text{U}$) или плутоний-239 ($^{239}_{94}\text{Pu}$).
• Продукты реакции: Продуктом синтеза является более тяжёлое ядро (например, гелий) и элементарные частицы (например, нейтроны). Продуктами деления являются два (иногда больше) ядра-осколка, которые являются элементами из середины таблицы Менделеева, и несколько нейтронов.
• Условия для протекания: Для запуска термоядерной реакции требуются экстремальные условия — температура в миллионы градусов и высокое давление, чтобы преодолеть кулоновский барьер. Реакция деления может быть инициирована при обычных температурах путём захвата ядром медленного нейтрона.
• Энерговыделение на нуклон: Хотя обе реакции выделяют энергию, реакция синтеза высвобождает значительно больше энергии на один нуклон (протон или нейтрон), чем реакция деления.
• Радиоактивные отходы: Продукты деления, как правило, являются высокорадиоактивными и имеют длительный период полураспада, создавая проблему долгоживущих радиоактивных отходов. Продукт синтеза (например, гелий) стабилен и нерадиоактивен. Радиоактивность в установках синтеза может возникать из-за нейтронной активации материалов самого реактора.

Ответ: Основное отличие заключается в том, что термоядерная реакция — это слияние лёгких ядер в более тяжёлое, а реакция деления — распад тяжёлого ядра на более лёгкие. Реакции отличаются исходными веществами, продуктами и условиями, необходимыми для их протекания.

74.10 [н] При ядерном взаимодействии дейтерия с изотопом лития $^6_3\text{Li}$ образуются 2 ядра гелия. Напишите эту реакцию синтеза.

$^2_1\text{H} + ^6_3\text{Li} \to 2 \text{ } ^4_2\text{He}$

Для того чтобы записать уравнение ядерной реакции, необходимо определить все участвующие в ней частицы и применить законы сохранения массового числа и заряда.

Решение

В условии задачи указаны исходные частицы (реагенты) и конечные частицы (продукты) реакции.
Исходными частицами являются ядро дейтерия $^2_1\text{H}$ (изотоп водорода с зарядовым числом $Z=1$ и массовым числом $A=2$) и ядро изотопа лития $^6_3\text{Li}$ (зарядовое число $Z=3$, массовое число $A=6$).
Конечными продуктами являются два ядра гелия, которые мы обозначим как $^A_Z\text{He}$.

Схема реакции выглядит следующим образом:

$$ ^2_1\text{H} + ^6_3\text{Li} \rightarrow 2 \cdot ^A_Z\text{He} $$

Для нахождения неизвестных массового ($A$) и зарядового ($Z$) чисел ядра гелия применим законы сохранения.

Закон сохранения зарядового числа (числа протонов): сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции.
$1 + 3 = 2 \cdot Z$
$4 = 2 \cdot Z$
$Z = 2$
Зарядовое число 2 соответствует элементу гелию.

Закон сохранения массового числа (числа нуклонов): сумма массовых чисел до реакции должна быть равна сумме массовых чисел после реакции.
$2 + 6 = 2 \cdot A$
$8 = 2 \cdot A$
$A = 4$

Следовательно, в результате реакции образуются два ядра изотопа гелия-4, $^4_2\text{He}$ (альфа-частицы).
Итоговое уравнение реакции синтеза имеет вид:

$$ ^2_1\text{H} + ^6_3\text{Li} \rightarrow 2 \cdot ^4_2\text{He} $$

Ответ: $$ ^2_1\text{H} + ^6_3\text{Li} \rightarrow 2 \cdot ^4_2\text{He} $$

74.1.1 [1683] Напишите ядерную реакцию, которая происходит при бомбардировке ядер алюминия $^ {27}_ {13}\text{Al}$ $\alpha$-частицами и сопровождается выбиванием протонов.

74.1.1 [1683]

Дано:

Исходное ядро: алюминий-27 ($_{13}^{27}\text{Al}$)
Бомбардирующая частица: $\alpha$-частица (ядро гелия-4, $_{2}^{4}\text{He}$)
Выбиваемая частица: протон ($_{1}^{1}\text{p}$)

Найти:

Уравнение ядерной реакции.

Решение:

Ядерная реакция описывает взаимодействие атомных ядер и элементарных частиц. В данной задаче ядро алюминия $_{13}^{27}\text{Al}$ бомбардируется $\alpha$-частицей, которая представляет собой ядро атома гелия $_{2}^{4}\text{He}$. В результате реакции образуется новое ядро $_{Z}^{A}\text{X}$ и выбивается протон $_{1}^{1}\text{p}$ (или $_{1}^{1}\text{H}$).

Запишем уравнение реакции в общем виде:

$_{13}^{27}\text{Al} + _{2}^{4}\text{He} \rightarrow _{Z}^{A}\text{X} + _{1}^{1}\text{p}$

При любой ядерной реакции должны выполняться законы сохранения зарядового числа (количества протонов) и массового числа (общего количества нуклонов: протонов и нейтронов).

1. Закон сохранения зарядового числа (Z). Сумма зарядовых чисел частиц, вступивших в реакцию, равна сумме зарядовых чисел продуктов реакции.

$13 + 2 = Z + 1$

$15 = Z + 1$

Отсюда находим зарядовое число нового ядра:

$Z = 15 - 1 = 14$

2. Закон сохранения массового числа (A). Сумма массовых чисел частиц, вступивших в реакцию, равна сумме массовых чисел продуктов реакции.

$27 + 4 = A + 1$

$31 = A + 1$

Отсюда находим массовое число нового ядра:

$A = 31 - 1 = 30$

Итак, в результате реакции образуется ядро с зарядовым числом $Z = 14$ и массовым числом $A = 30$. Элемент с порядковым номером 14 в периодической системе Д.И. Менделеева — это кремний (Si). Следовательно, продукт реакции — изотоп кремния $_{14}^{30}\text{Si}$.

Теперь можно записать окончательное уравнение ядерной реакции:

$_{13}^{27}\text{Al} + _{2}^{4}\text{He} \rightarrow _{14}^{30}\text{Si} + _{1}^{1}\text{p}$

Ответ: $_{13}^{27}\text{Al} + _{2}^{4}\text{He} \rightarrow _{14}^{30}\text{Si} + _{1}^{1}\text{p}$.