Номер ?2, страница 196, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 109. Лабораторные и исследовательские работы. Вопросы для обсуждения - номер ?2, страница 196.

Условие.

Чем структурно различаются изотопы $^{\text{235}}\text{U}$ и $^{\text{238}}\text{U}$? Влияет ли это различие на число электронов в атоме урана? Как это различие влияет на использование урана в современной энергетике?

Решение.

Чем структурно различаются изотопы $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$?

Изотопы одного и того же химического элемента различаются строением атомного ядра. Уран (U) имеет порядковый номер $Z=92$ в таблице Менделеева, что означает, что в ядре любого атома урана содержится 92 протона. Массовое число $\text{A}$, указываемое в обозначении изотопа ($^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$), представляет собой общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Число нейтронов $\text{N}$ в ядре можно найти по формуле $N = A - Z$.

Для изотопа уран-235 ($^{235}\text{U}$):
Число протонов $Z = 92$.
Массовое число $A = 235$.
Число нейтронов $N = 235 - 92 = 143$.

Для изотопа уран-238 ($^{238}\text{U}$):
Число протонов $Z = 92$.
Массовое число $A = 238$.
Число нейтронов $N = 238 - 92 = 146$.

Таким образом, структурное различие между этими изотопами заключается в разном количестве нейтронов в их ядрах: ядро урана-238 содержит на 3 нейтрона больше, чем ядро урана-235.

Ответ: Изотопы $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$ различаются количеством нейтронов в ядре. В ядре $^{235}\text{U}$ содержится 143 нейтрона, а в ядре $^{238}\text{U}$ — 146 нейтронов.

Влияет ли это различие на число электронов в атоме урана?

В нейтральном атоме число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно числу протонов в ядре. Это обеспечивает электронейтральность атома. Поскольку оба изотопа, $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$, являются изотопами одного и того же элемента, урана, они имеют одинаковое число протонов — 92. Следовательно, в нейтральном состоянии атом каждого из этих изотопов будет иметь 92 электрона. Различие в количестве нейтронов не влияет на заряд ядра и, соответственно, на количество электронов в атоме. Химические свойства изотопов, определяемые электронной оболочкой, практически идентичны.

Ответ: Нет, это различие не влияет на число электронов в атоме урана. В нейтральном атоме как $^{235}\text{U}$, так и $^{238}\text{U}$ содержится 92 электрона, так как у них одинаковое число протонов (92).

Как это различие влияет на использование урана в современной энергетике?

Различие в количестве нейтронов кардинально влияет на ядерные свойства изотопов и их применение в энергетике.

Изотоп уран-235 ($^{235}\text{U}$) является делящимся материалом. Его ядро способно делиться при захвате медленного (теплового) нейтрона. Этот процесс, называемый ядерным делением, сопровождается выделением огромного количества энергии и испусканием нескольких новых нейтронов. Эти новые нейтроны могут вызывать деление других ядер $^{235}\text{U}$, что позволяет создать самоподдерживающуюся цепную реакцию. Именно это свойство $^{235}\text{U}$ используется в ядерных реакторах для производства электроэнергии.

Изотоп уран-238 ($^{238}\text{U}$), составляющий более 99% природного урана, не способен поддерживать цепную реакцию на тепловых нейтронах. Однако он является "воспроизводящим" или "фертильным" материалом. При поглощении нейтрона ядро $^{238}\text{U}$ превращается в $^{239}\text{U}$, который затем через цепочку бета-распадов превращается в плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$):
$^{238}_{92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{239}_{92}\text{U} \rightarrow ^{239}_{93}\text{Np} + \beta^{-} \rightarrow ^{239}_{94}\text{Pu} + \beta^{-}$
Плутоний-239, в свою очередь, является эффективным ядерным топливом, способным к делению под действием тепловых нейтронов, так же как и уран-235.

Из-за этих различий в ядерных свойствах, для большинства современных атомных электростанций природный уран приходится обогащать, то есть искусственно увеличивать в нем долю $^{235}\text{U}$ (с 0.7% до 3-5%). Уран-238 используется в реакторах-размножителях (бридерах) для производства плутония.

Ответ: Различие в ядерных свойствах является ключевым для энергетики. $^{235}\text{U}$ способен к цепной реакции деления под действием медленных нейтронов и является основным топливом для АЭС. $^{238}\text{U}$ не поддерживает такую реакцию, но может быть преобразован в делящийся плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), что позволяет использовать его в качестве сырья для получения нового ядерного топлива.