Обсудить в классе, страница 254 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 7. Квантовые явления. Параграф 61. Состав атомного ядра. Вопросы - страница 254.

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 — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Уран (U) имеет порядковый номер 92 в периодической таблице, что означает, что в ядре любого атома урана всегда содержится 92 протона.

Структурное различие между изотопами $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$ заключается исключительно в составе их атомных ядер, а именно в количестве нейтронов.

• В ядре изотопа Уран-235 ($^{235}\text{U}$) содержится 92 протона. Массовое число (сумма протонов и нейтронов) равно 235. Следовательно, число нейтронов составляет: $N = 235 - 92 = 143$ нейтрона.
• В ядре изотопа Уран-238 ($^{238}\text{U}$) также содержится 92 протона. Его массовое число равно 238. Следовательно, число нейтронов составляет: $N = 238 - 92 = 146$ нейтронов.

Таким образом, ядро урана-238 содержит на 3 нейтрона больше, чем ядро урана-235, что делает его немного тяжелее и стабильнее.

Ответ: Изотопы $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$ структурно различаются количеством нейтронов в атомном ядре: у $^{235}\text{U}$ их 143, а у $^{238}\text{U}$ — 146. Число протонов у них одинаковое — 92.

Влияет ли это различие на число электронов в атоме урана?

Нет, это различие не влияет на число электронов в нейтральном атоме урана. Атом в своем нормальном (нейтральном) состоянии является электронейтральным, то есть его суммарный электрический заряд равен нулю. Это достигается за счет того, что число отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра, равно числу положительно заряженных протонов в ядре.

Поскольку оба изотопа, $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$, являются изотопами одного и того же элемента — урана, — они оба имеют по 92 протона в ядре. Следовательно, в нейтральном атоме каждого из этих изотопов будет по 92 электрона. Так как химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, химически изотопы $^{235}\text{U}$ и $^{238}\text{U}$ практически неразличимы.

Ответ: Нет, не влияет. В нейтральном атоме любого изотопа урана содержится 92 электрона, так как число электронов определяется числом протонов (которое для всех изотопов урана равно 92), а не нейтронов.

Как это различие влияет на использование урана в современной энергетике?

Это различие в количестве нейтронов имеет решающее значение для использования урана в ядерной энергетике. Оно определяет ядерные свойства изотопов, в частности, их способность к делению.

• Уран-235 ($^{235}\text{U}$) является делящимся (или расщепляющимся) изотопом. Его ядро способно делиться при поглощении медленного (теплового) нейтрона. В результате этого деления высвобождается огромное количество энергии и 2-3 новых нейтрона. Эти новые нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер $^{235}\text{U}$, что приводит к возникновению самоподдерживающейся цепной реакции. Именно это свойство делает $^{235}\text{U}$ основным топливом для большинства атомных электростанций. Однако в природном уране его содержание очень мало — всего около 0.72%.
• Уран-238 ($^{238}\text{U}$), составляющий более 99.27% природного урана, не способен к делению под действием медленных нейтронов. Он может делиться только под действием очень быстрых нейтронов с высокой энергией, но цепную реакцию на них поддерживать неэффективно. Однако $^{238}\text{U}$ является воспроизводящим (или фертильным) материалом. При поглощении нейтрона ядро $^{238}\text{U}$ превращается в $^{239}\text{U}$, который затем после двух бета-распадов становится плутонием-239 ($^{239}\text{Pu}$). Плутоний-239, в свою очередь, является делящимся материалом, как и уран-235, и может быть использован в качестве ядерного топлива.

Из-за этих различий для работы большинства ядерных реакторов природный уран необходимо обогащать — искусственно увеличивать в нем концентрацию $^{235}\text{U}$ с 0.72% до 3-5%.

Ответ: Различие в числе нейтронов кардинально влияет на ядерные свойства изотопов. $^{235}\text{U}$ способен поддерживать цепную реакцию деления под действием медленных нейтронов, что делает его основным топливом для АЭС. $^{238}\text{U}$ не может этого делать, но способен превращаться в плутоний-239, который также является ядерным топливом. Это различие обуславливает необходимость процесса обогащения урана для использования в энергетике.