Номер 3, страница 210 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

3. Какие законы выполняются при радиоактивном распаде ядра?

При радиоактивном распаде атомного ядра, как и в любых других процессах в микромире, выполняется ряд фундаментальных законов сохранения. Эти законы определяют, какие именно превращения возможны, а какие — запрещены.

1. Закон сохранения электрического заряда

Суммарный электрический заряд системы до распада равен суммарному электрическому заряду продуктов распада. Поскольку заряд ядра определяется числом протонов $Z$ (зарядовое число), этот закон означает, что сумма зарядовых чисел продуктов распада должна быть равна зарядовому числу исходного ядра. Например, при альфа-распаде урана-238:

$_{92}^{238}U \rightarrow _{90}^{234}Th + _2^4He$

Заряд до распада: $92$. Сумма зарядов после распада: $90 + 2 = 92$. Закон выполняется.

2. Закон сохранения массового числа (числа нуклонов)

Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре до распада равно сумме чисел нуклонов в продуктах распада. Массовое число обозначается буквой $A$. Для того же примера с распадом урана:

$_{92}^{238}U \rightarrow _{90}^{234}Th + _2^4He$

Массовое число до распада: $238$. Сумма массовых чисел после распада: $234 + 4 = 238$. Закон выполняется. Этот закон является следствием более общего закона сохранения барионного числа.

3. Закон сохранения энергии-массы

Полная энергия изолированной системы сохраняется. В ядерных реакциях часть массы покоя исходного ядра превращается в кинетическую энергию продуктов распада и энергию излучения (например, гамма-квантов). Это описывается соотношением Эйнштейна $E=mc^2$. Распад возможен только в том случае, если масса исходного ядра $M_я$ больше суммы масс продуктов распада $ \sum m_i $. Выделившаяся энергия (энергия реакции $Q$) равна:

$Q = (M_я - \sum m_i)c^2 > 0$

4. Закон сохранения импульса

Суммарный импульс системы до распада равен суммарному импульсу системы после распада. Если исходное ядро покоилось (его импульс был равен нулю), то векторная сумма импульсов всех продуктов распада также должна быть равна нулю. Например, при двухчастичном распаде (например, альфа-распаде) дочернее ядро и альфа-частица разлетаются в противоположных направлениях, чтобы их суммарный импульс остался нулевым: $\vec{p}_1 + \vec{p}_2 = 0$.

5. Закон сохранения момента импульса

Полный момент импульса замкнутой системы сохраняется. Момент импульса ядра (спин ядра) складывается из собственных моментов импульса (спинов) нуклонов и их орбитальных моментов. При распаде векторная сумма моментов импульса продуктов распада должна быть равна моменту импульса исходного ядра.

6. Закон сохранения лептонного числа

Этот закон особенно важен при бета-распаде. Лептоны (электрон, позитрон, нейтрино, антинейтрино) обладают специальной характеристикой — лептонным числом. Для электрона и нейтрино оно равно $+1$, для их античастиц (позитрона и антинейтрино) — $-1$. Сумма лептонных чисел до и после реакции должна оставаться неизменной. Например, при бета-минус распаде нейтрона:

$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$

Лептонное число до реакции равно $0$ (нейтрон и протон не лептоны). После реакции: $0$ (протон) $+ 1$ (электрон) $+ (-1)$ (антинейтрино) $= 0$. Закон выполняется.

Ответ: При радиоактивном распаде ядра выполняются следующие фундаментальные законы сохранения: закон сохранения электрического заряда, закон сохранения массового числа (числа нуклонов), закон сохранения энергии-массы, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, а также законы сохранения барионного и лептонного чисел.