ГлавнаяХимияЯдерные реакции

Химия - это просто

Популярно о химии
· Что такое химия?
· Вещество и его состояния
· Чистые вещества и смеси
· Свойства вещества
· Энергия вещества
· Структура атома
· Модель атома
· Электронная структура атомов
· Изотопы и ионы
· Периодическая таблица
· Ядерные реакции
· Атом "военный"
· Атом "мирный"
· Ядерный синтез
· Ионная связь
· Ионные соединения
· Ковалентная связь
· Формулы ковалентных связей
· Химические реакции
· Баланс химических реакций
· Химическое равновесие
· Скорость химических реакций
· Окислительно-восстановительные реакции
· Электрохимические элементы
· Что такое моль
· Кислоты и основания
· Сильные кислоты и основания
· Слабые кислоты и основания
· Кислотно-основные реакции
· Индикаторы
· Водородный показатель pH
Органическая химия

Онлайн тесты по ЕГЭ

Ядерные реакции


  1. Радиоактивность
  2. Почему изотопы распадаются?
  3. Период полураспада
  4. Цепная ядерная реакция

Вспомним вкратце, что мы уже знаем об атоме:

В периодической таблице химический элемент "кислород" обозначается следующим образом:


1. Радиоактивность

Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.

Если нам известна одна из частиц, получившаяся при распаде, то можно вычислить и другую частицу, поскольку во время ядреной реакции соблюдается, так называемый, баланс масс ядерной реакции.

Суть ядерной реакции схематически можно выразить так:

Реагенты, вступающие в реакциюПродукты, получившиеся в результате реакции

Ядерная реакция считается сбалансированной, если сумма атомных номеров элементов в левой части выражения будет равна сумме атомных номеров элементов, полученных после реакции. Это же условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):

3517Cl + 10n3516Х + 11H

Какой Х-элемент будет находиться в правой части уравнения реакции?

Исходя из баланса масс ядерной реакции, атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В Периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Т.о., можно сказать, что в результате нашей ядерной реакции при бомбардировке изотопа хлора (хлор-35) нейтроном получается изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35). Этот процесс называют еще ядерным превращением.

3517Cl + 10n3516S + 11H

При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.


2. Почему изотопы распадаются?

В ядре атома находятся протоны (положительно заряженные частицы), которые сконцентрированы в очень малом пространстве. Ранее мы говорили, что в ядре атома действуют некие удерживающие силы (так называемый, "ядерный клей"), которые не дают одноименно заряженным нейтронам разорвать ядро атома. Но иногда энергия отталкивания частиц превосходит энергию склеивания, и ядро раскалывается на части - происходит радиоактивный распад.

Ученые установили, что все химические элементы, в ядре которых более 84 протонов (под этим порядковым номером в таблице находится полоний - Ро), являются нестабильными и время от времени подвергаются радиоактивному распаду. Однако, существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, но они также являются радиоактивными. Дело в том, что о стабильности изотопа можно судить по соотношению количества протонов и нейтронов атома. Изотоп будет нестабилен, если разность между количеством протонов и нейтронов велика (много протонов и мало нейтронов, либо мало протонов и много нейтронов). Изотоп элемента будет устойчивым, если количество нейтронов и протонов в его атоме примерно равно.

Поэтому, неустойчивые изотопы, подвергаясь радиоактивному распаду, превращаются в другие элементы. Процесс превращения будет идти до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп.


3. Период полураспада

Когда же происходит радиоактивный распад атома неустойчивого элемента? Это может произойти в любой момент: через пару мгновений, или через 100 лет. Но, если выборка атомов по определенному элементу достаточно велика, то можно вывести определенную закономерность.

Время, необходимое для распада половины атомов в статистической выборке определенного химического элемента, называется периодом полураспада изотопа и обозначается символом t1/2

Процесс полураспада является экспоненциальным процессом:

Процесс полураспада является экспоненциальным процессом

Ниже в таблице приведены данные периода полураспада для некоторых радиоактивных изотопов

Изотоп Период полураспада Безопасный период
Криптон-94
Радон-222
Йод-131
Кобальт-60
Водород-3
Углерод-14
Уран-235
Рений-187
1,4 секунды
3,8 суток
8 суток
5,2 года
12,3 года
5730 лет
4,5 млрд.лет
70 млрд.лет
14 секунд
38 суток
80 суток
52 года
123 года
57300 лет
45 млрд.лет
700 млрд.лет

Период полураспада необходимо знать для того, чтобы определить время, когда радиоактивный элемент станет безопасен - это произойдет, когда его радиоактивность упадет настолько, что ее нельзя будет обнаружить, т.е., через 10 периодов полураспада.


4. Цепная ядерная реакция

В 30-х годах прошлого столетия ученые начали пытаться управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра. Например:

23592U + 10n14256Ba + 9136Kr + 310n

Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра. В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.

Великий Альберт Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу: E = mc2, где

Е - количество энергии;
m - дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с - скорость света = 300 000 км/с

Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.

Из приведенного выше уравнения расщепления урана-235 видно, что в процессе деления ядра расходуется один электрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных электрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т.д… Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией.

Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана (уран-238) невозможна, т.к. высвободится только один нейтрон:

23892U + 10n14256Ba + 9136Kr + 10n



Изотопы, участвующие в цепной реакции, называются расщепляемыми изотопами


Для ядерных реакций используют изотопы урана (уран-235) и плутона (плутон-239). Чтобы ядерная реакция смогла протекать самостоятельно, требуется определенное количество расщепляемого вещества, называемое критической массой. В противном случае число избыточных нейтронов будет недостаточным для осуществления ядерной реакции. Масса расщепляемого вещества меньше критической называется субкритической.

В начало страницы