15-г. Ядерные реакции
§ 15-г. Ядерные реакции
На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:
Здесь Х — символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z — зарядовое число ядра изотопа, А — массовое число ядра изотопа.
Зарядовое число ядра — это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра — это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа — физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.
Например, символ 
. Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).
Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:
Ядро атома азота взаимодействовало с a-частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора — неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.
По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.
Сумма массовых и сумма зарядовых чисел ядер атомов до ядерной реакции попарно равны сумме массовых и сумме зарядовых чисел новых ядер после реакции.
| первая искусственная (лабораторная) ядерная реакция | Массовое число | Зарядовое число |
| до реакции: азот и гелий | 14 + 4 = 18 | 7 + 2 = 9 |
| после: кислород и водород | 17 + 1 = 18 | 8 + 1 = 9 |
Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.
Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.
Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой. Для чистого урана-235 — это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве — ядерном реакторе (см. § 15-и).
Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.