Перейти к содержанию
Educora
Средний28 мин45 / 68

Основы ядерной физики

Состав ядра и изотопы, α-, β-, γ-распад и законы сохранения, расчёты с периодом полураспада, ядерные реакции, дефект масс и энергия связи, деление, синтез и защита от излучения — с задачами в стиле CSCA.

Проверь себя
В этом уроке ты узнаешь
  • Описывать состав ядра (A, Z, N), изотопы и ядерные силы.
  • Записывать уравнения α-, β-, γ-распада по сохранению массового числа и заряда и сравнивать три вида излучения.
  • Решать задачи на период полураспада.
  • Вычислять дефект масс и энергию связи по E = Δmc², объяснять, почему деление и синтез выделяют энергию, и знать основы защиты от излучения.

В дымовом датчике на потолке есть крошечный α-источник (америций-241); археологи определяют возраст деревянной чаши по оставшемуся в ней углероду-14; Солнце светит потому, что сливаются ядра водорода. Всё это — ядерная физика, физика области в 10⁵ раз меньше атома. В уроке «Строение атома и спектры» ядро было лишь крошечной положительной точкой; теперь заглянем внутрь: из чего оно состоит, как распадается и откуда берётся ядерная энергия.

Из чего состоит ядро

В 1919 году Резерфорд, облучая азот α-частицами, открыл протон, а в 1932 году Чедвик обнаружил незаряженный нейтрон. С тех пор известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов — вместе их называют нуклонами. Массы протона и нейтрона почти одинаковы (≈ 1 а. е. м.), а электрон примерно в 1840 раз легче.

Определение
Массовое и зарядовое число

Зарядовое число Z — число протонов в ядре; это порядковый номер элемента в периодической системе. Массовое число A — общее число нуклонов. Ядро записывают с A сверху и Z снизу, например ²³⁸₉₂U.

A = Z + N, q(nucleus) = Ze
где:
  • Aмассовое число (число нуклонов; примерно масса в а. е. м.)
  • Zзарядовое число = число протонов
  • Nчисло нейтронов
  • eэлементарный заряд, 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл

В нейтральном атоме Z электронов. Какой это химический элемент, определяет только Z.

Состав ядра

1) Сколько протонов, нейтронов и нуклонов в ядре ²³⁸₉₂U? Сколько электронов в нейтральном атоме?
2) Сколько нейтронов в ядре ⁴⁰₁₉K? Каков заряд ядра?
3) В ядре 26 протонов и 30 нейтронов. Запиши его.

Показать решение
1) Z = 92 протона, N = 238 − 92 = 146 нейтронов, 238 нуклонов; в атоме 92 электрона.
2) N = 40 − 19 = 21; q = 19 · 1,6 · 10⁻¹⁹ ≈ 3,0 · 10⁻¹⁸ Кл.
3) Z = 26 — железо, A = 26 + 30 = 56: ⁵⁶₂₆Fe.
Определение
Изотопы

Ядра с одинаковым Z, но разным N (а значит, и разным A). Это один и тот же элемент с одинаковой химией, но ядерные свойства у них разные: например, ¹²₆C стабилен, а ¹⁴₆C радиоактивен. У водорода три изотопа: протий ¹₁H, дейтерий ²₁H и тритий ³₁H; важнейшие изотопы урана — ²³⁵U и ²³⁸U.

Интерактив
Загрузка симуляции…
Это углерод-14. Уменьши число нейтронов до 6 — получится углерод-12: элемент не меняется, потому что Z прежнее. Потом добавь один протон и посмотри, как меняется элемент.

Протоны отталкиваются, почему же ядро не разлетается? Нуклоны удерживают ядерные силы (сильное взаимодействие): это притяжение между любыми двумя нуклонами, очень мощное, но действующее лишь на расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м, то есть между соседними нуклонами.

Радиоактивный распад: α, β, γ и период полураспада

В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, а в 1898 году Мария и Пьер Кюри открыли полоний и радий. Радиоактивность — свойство ядра: излучение не зависит от температуры, давления и от того, в каком химическом соединении находится элемент.

ИзлучениеЧто этоЗарядСкоростьИонизирующая способностьЧем задерживается
αядро гелия ⁴₂He+2e≈ c/10самая сильнаялист бумаги, несколько см воздуха
β⁻быстрый электрон ⁰₋₁e−eдо ≈ 0,99cсредняянесколько мм алюминия
γфотон высокой энергии (электромагнитная волна)0cсамая слабаянесколько см свинца, толстый бетон (не полностью)
В электрическом и магнитном полях α и β отклоняются в противоположные стороны, а γ идёт прямо. В электрическом поле β отклоняется сильнее: её масса очень мала.
α: (A, Z) → (A − 4, Z − 2) + ⁴₂He β⁻: (A, Z) → (A, Z + 1) + ⁰₋₁e
где:
  • (A, Z)материнское ядро с массовым числом A и зарядовым числом Z
  • ⁴₂Heα-частица
  • ⁰₋₁eβ-частица (электрон)

В любом распаде и любой ядерной реакции сохраняются сумма массовых чисел и сумма зарядов. γ-излучение не меняет ни A, ни Z: возбуждённое дочернее ядро просто отдаёт лишнюю энергию в виде фотона.

Откуда берётся β-электрон? Электронов в ядре нет: один из нейтронов превращается в протон, и рождается электрон — ¹₀n → ¹₁H + ⁰₋₁e (ещё антинейтрино). Поэтому при β⁻-распаде Z растёт на единицу, а A не меняется.

Уравнения распада

Допиши уравнения: 1) α-распад ²²⁶₈₈Ra; 2) β⁻-распад ²¹⁰₈₃Bi; 3) β⁻-распад ⁶⁰₂₇Co с последующим γ-излучением.

Показать решение
1) ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He: A 226 − 4 = 222, Z 88 − 2 = 86 — радон.
2) ²¹⁰₈₃Bi → ²¹⁰₈₄Po + ⁰₋₁e: A прежнее, Z 83 + 1 = 84 — полоний.
3) ⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni* + ⁰₋₁e, затем ⁶⁰₂₈Ni* → ⁶⁰₂₈Ni + γ: γ-излучение не меняет A и Z (* — возбуждённое ядро). γ-лучи кобальта-60 используют в лучевой терапии.
x = (A − A′)/4, y = 2x − (Z − Z′)x = (A − A′)/4, y = 2x − (Z − Z′)
где:
  • x, yчисло α- и β⁻-распадов
  • A, Z → A′, Z′массовые и зарядовые числа начального и конечного ядер

A меняет только α-распад, поэтому сначала считай α. x α-распадов уменьшают Z на 2x; остаток «возвращают» β⁻-распады.

Цепочки распадов

1) ²³⁸₉₂U после ряда распадов превращается в ²⁰⁶₈₂Pb. Сколько α- и β⁻-распадов?
2) Во что превращается ²³⁸₉₂U после одного α- и двух β⁻-распадов?

Показать решение
1) x = (238 − 206)/4 = 8 α; y = 2 · 8 − (92 − 82) = 16 − 10 = 6 β⁻.
2) A = 238 − 4 = 234, Z = 92 − 2 + 2 = 92: ²³⁴₉₂U — снова уран, изотоп исходного ядра.
Задача в стиле CSCA: считаем распады

²³⁵₉₂U в результате ряда α- и β⁻-распадов превращается в стабильный ²⁰⁷₈₂Pb. Сколько происходит α- и β⁻-распадов?
A) 7 α и 4 β⁻ B) 7 α и 10 β⁻ C) 4 α и 7 β⁻ D) 7 α и 2 β⁻

Показать решение
x = (235 − 207)/4 = 7; семь α-распадов уменьшают Z на 14: 92 − 14 = 78, чтобы дойти до 82, нужно 4 β⁻. Ответ A.
Ловушки: в B числом β-распадов считают изменение Z (92 − 82 = 10); в C числа переставлены; в D вычитают из x вместо 2x.
Задача в стиле CSCA: что испускает источник

Лист бумаги между радиоактивным источником и счётчиком не меняет скорость счёта, а алюминиевая пластина толщиной 5 мм снижает её до уровня фона. Что испускает источник?
A) только α B) только β C) только γ D) α и γ

Показать решение
Бумага ничего не задержала — α нет. Алюминий задержал всё — γ тоже нет (γ прошло бы через 5 мм алюминия). Остаётся B.
Ловушки: A — α задержалось бы бумагой, и счёт упал бы; C и D — при γ счёт за алюминием остался бы выше фона.
Определение
Период полураспада T

Время, за которое распадается половина радиоактивных ядер образца (半衰期). Это статистический закон: он верен для большого числа ядер, а когда распадётся отдельное ядро, сказать нельзя. T зависит только от вида ядра — ни температура, ни давление, ни химическая связь его не меняют. Например, у ¹³¹I T ≈ 8 суток, у ¹⁴C — 5730 лет, у ²³⁸U — около 4,5 млрд лет.

N = N₀ · (1/2)^(t/T), m = m₀ · (1/2)^(t/T)N = N₀ · (1/2)^(t/T), m = m₀ · (1/2)^(t/T)
где:
  • N₀, m₀начальные число и масса радиоактивных ядер
  • N, mядра, ещё не распавшиеся к моменту t
  • t/Tt/Tчисло прошедших периодов полураспада

Распавшаяся часть — N₀ − N: через 3 периода остаётся 1/8, распалось 7/8. Активность (число распадов в секунду) убывает по тому же закону.

Расчёты с периодом полураспада

1) Есть 64 г изотопа с T = 5 сут. Сколько останется через 20 сут и сколько распадётся?
2) Какая доля ядер распадётся за 3 периода?
3) Через 12 ч осталась 1/8 исходных ядер. Чему равен T?

Показать решение
1) t/T = 20/5 = 4: 64 → 32 → 16 → 8 → останется 4 г; распадётся 60 г.
2) Останется (1/2)³ = 1/8, распадётся 1 − 1/8 = 7/8.
3) 1/8 = (1/2)³ ⇒ 12 ч = 3T ⇒ T = 4 ч.
Задача в стиле CSCA: радиоуглеродный метод

Активность ¹⁴C в образце древней древесины равна 1/8 активности такой же массы свежей древесины. Период полураспада ¹⁴C — 5730 лет. Каков примерно возраст образца?
A) 5730 лет B) 11 460 лет C) 17 190 лет D) 45 840 лет

Показать решение
1/8 = (1/2)³ ⇒ прошло 3 периода: 3 · 5730 = 17 190 лет, ответ C.
Ловушки: D умножает на 8 (8 · 5730); B — ответ для 1/4; A — один период.

Ядерные реакции, дефект масс и энергия связи

Ударив ядро быстрой частицей, его можно превратить в другое ядро. Реакция Резерфорда 1919 года открыла протон: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Реакция Чедвика 1932 года открыла нейтрон: ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n. В каждой реакции сохраняются суммы массовых чисел и зарядов (а также энергия и импульс), но не масса.

Найди неизвестную частицу

1) ⁷₃Li + ¹₁H → 2X
2) ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + k · ¹₀n — чему равно k?
3) ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + X

Показать решение
1) Слева A = 8, Z = 4 ⇒ у каждой X A = 4, Z = 2: X = ⁴₂He (две α-частицы).
2) A: 235 + 1 = 144 + 89 + k ⇒ k = 3; Z: 92 = 56 + 36 ✓.
3) A не меняется, Z уменьшается с 15 до 14 ⇒ у X A = 0, Z = +1: позитрон ⁰₁e (β⁺-распад; ³⁰P — искусственный радиоактивный изотоп).
Определение
Дефект масс и энергия связи

Масса ядра меньше суммы масс составляющих его свободных нуклонов; разность — дефект масс (质量亏损): Δm = Zmp + Nmn − mядра. Энергия, нужная, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, — энергия связи (结合能) Eсв = Δm · c²; столько же выделяется при образовании ядра. Удельная энергия связи (比结合能) — энергия связи на один нуклон Eсв/A; чем она больше, тем устойчивее ядро.

ΔE = Δm · c², 1 а. е. м. ↔ 931,5 МэВ
где:
  • Δmдефект масс (кг или а. е. м.)
  • c²9 · 10¹⁶ м²/с²
  • а. е. м.атомная единица массы, 1 а. е. м. = 1,66 · 10⁻²⁷ кг; 1 МэВ = 1,6 · 10⁻¹³ Дж

Если Δm в килограммах, умножь на c² и получишь джоули; если в а. е. м. — умножь на 931,5 и получишь МэВ.

От массы к энергии

1) В реакции масса уменьшается на 1 · 10⁻²⁸ кг. Сколько энергии выделяется?
2) Дефект масс дейтрона (²₁H) 0,0024 а. е. м. Найди энергию связи и удельную энергию связи.
3) Энергия связи ⁴₂He — 28,3 МэВ. Какова удельная энергия связи и какое ядро устойчивее — ²H или ⁴He?

Показать решение
1) ΔE = 10⁻²⁸ · 9 · 10¹⁶ = 9 · 10⁻¹² Дж.
2) Eсв ≈ 0,0024 · 931,5 ≈ 2,2 МэВ; на 2 нуклона — 1,1 МэВ/нуклон.
3) 28,3/4 ≈ 7,1 МэВ/нуклон — примерно в 6 раз больше, чем у дейтрона, поэтому ⁴He гораздо устойчивее. Вот почему радиоактивные ядра выбрасывают целый «пакет» ⁴He — α-частицу.
Интерактив
Загрузка симуляции…
Источник: таблица атомных масс AME2020 (округлено). Кривая достигает максимума ≈ 8,8 МэВ около железа-56: деление тяжёлых ядер и синтез лёгких — движение к вершине, и оба процесса выделяют энергию.

Деление, синтез и защита от излучения

Определение
Деление ядер и цепная реакция

Тяжёлое ядро (например, ²³⁵U) поглощает медленный нейтрон и делится на два средних ядра и 2–3 новых нейтрона (核裂变); при каждом делении выделяется около 200 МэВ. Новые нейтроны делят следующие ядра — цепная реакция (链式反应). Она идёт, только если масса (объём) урана больше критической; неуправляемая цепная реакция — атомная бомба, управляемая — реактор АЭС.

  • Тепловыделяющие стержни — уран (обогащённый ²³⁵U).
  • Замедлитель (графит, обычная или тяжёлая вода) — замедляет быстрые нейтроны, потому что ²³⁵U гораздо охотнее захватывает медленные.
  • Регулирующие стержни (кадмий, бор) — поглощают нейтроны; опуская их, замедляют реакцию.
  • Теплоноситель (вода) уносит тепло к турбинам, а толстый бетон защищает от излучения.
Определение
Термоядерный синтез

Слияние лёгких ядер в более тяжёлое (核聚变), например ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 МэВ. Чтобы преодолеть электрическое отталкивание, ядра должны быть очень быстрыми, поэтому нужны температуры в миллионы кельвинов — отсюда «термоядерный». Так работают Солнце и звёзды. На один нуклон выделяется больше энергии, чем при делении; управляемый синтез (токамаки, например китайский EAST в Хэфэе) ещё в разработке.

Энергия синтеза

Для реакции ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n массы: ²H — 2,0141 а. е. м., ³H — 3,0160 а. е. м., ⁴He — 4,0026 а. е. м., n — 1,0087 а. е. м. 1) Найди выделившуюся энергию. 2) Сравни её в расчёте на нуклон с делением ²³⁵U (≈ 200 МэВ на 236 нуклонов).

Показать решение
1) Слева 5,0301 а. е. м., справа 5,0113 а. е. м. ⇒ Δm = 0,0188 а. е. м.; ΔE ≈ 0,0188 · 931,5 ≈ 17,5 МэВ.
2) Синтез: 17,5/5 ≈ 3,5 МэВ/нуклон; деление: 200/236 ≈ 0,85 МэВ/нуклон — синтез даёт примерно в 4 раза больше энергии на килограмм топлива.
Задача в стиле CSCA: где деление

Какое уравнение описывает деление ядра?
A) ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
B) ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n
C) ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + 3¹₀n
D) ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H

Показать решение
Деление: тяжёлое ядро поглощает нейтрон и распадается на два средних ядра и несколько нейтронов — C.
Ловушки: A тоже начинается с тяжёлого ядра, но это самопроизвольный α-распад (вылетает только ⁴He); B — синтез лёгких ядер; D — искусственное превращение ядер Резерфорда.
  • Время: находись рядом с источником как можно меньше — доза пропорциональна времени.
  • Расстояние: интенсивность от точечного источника убывает как 1/r² — удвоив расстояние, уменьшишь дозу в 4 раза.
  • Экран: для α — бумага и одежда, для β — алюминий или пластик, для γ — свинец и толстый бетон.
  • Нельзя глотать или вдыхать радиоактивное вещество: внутри тела опаснее всего α, так как она сильнее всего ионизирует. Дозу измеряют в зивертах (Зв), работники носят дозиметры.

При правильном обращении излучение полезно: меченые атомы, лучевая терапия, стерилизация медицинских инструментов, дымовые датчики и радиоуглеродное датирование.

Как CSCA спрашивает эту тему

Экзамен сдают на английском или китайском, поэтому научись узнавать основные термины на обоих языках:

Термин (по-английски)中文Pinyin
нуклон — nucleon核子hézǐ
нейтрон — neutron中子zhōngzǐ
массовое число — mass number质量数zhìliàngshù
зарядовое число — charge number电荷数diànhèshù
изотоп — isotope同位素tóngwèisù
α-распад — alpha decayα衰变α shuāibiàn
β-распад — beta decayβ衰变β shuāibiàn
γ-лучи — gamma raysγ射线γ shèxiàn
период полураспада — half-life半衰期bànshuāiqī
дефект масс — mass defect质量亏损zhìliàng kuīsǔn
энергия связи — binding energy结合能jiéhénéng
удельная энергия связи — binding energy per nucleon比结合能bǐ jiéhénéng
деление ядер — nuclear fission核裂变hé lièbiàn
термоядерный синтез — nuclear fusion核聚变hé jùbiàn
цепная реакция — chain reaction链式反应liànshì fǎnyìng
  • Уравнения распада: найди новое ядро, посчитай α- и β⁻-распады (сначала A, потом Z).
  • Свойства α, β, γ: проникающая и ионизирующая способность, отклонение в электрическом и магнитном полях, опыты «что задерживает».
  • Полураспад: оставшаяся и распавшаяся доля, нахождение T, сравнение двух изотопов, радиоуглеродный возраст.
  • Уравняй реакцию и назови X: n, p, e⁻, e⁺ или α.
  • Энергия: Δm → ΔE (а. е. м. → 931,5 МэВ, кг → c²), кривая удельной энергии связи, деление и синтез, устройство реактора, защита от излучения.

Главное

  • Ядро = Z протонов + N нейтронов, A = Z + N; у изотопов Z одинаково, N разное; нуклоны удерживают короткодействующие ядерные силы.
  • α: A − 4, Z − 2; β⁻: A прежнее, Z + 1 (n → p + e); γ: ничего не меняется. В каждой реакции сохраняются суммы A и Z.
  • α ионизирует сильнее всех и задерживается бумагой; β — миллиметрами алюминия; γ не отклоняется полями и проходит сантиметры свинца.
  • N = N₀(1/2)^(t/T); T не зависит от внешних условий и имеет смысл только для большого числа ядер.
  • ΔE = Δmc², 1 а. е. м. ↔ 931,5 МэВ; чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро (максимум ≈ 8,8 МэВ около ⁵⁶Fe).
  • Деление тяжёлых ядер (≈ 200 МэВ, цепная реакция, замедлитель и регулирующие стержни) и синтез лёгких выделяют энергию; защита — время, расстояние, экран.

Проверь себя

Вопросов: 12. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 12
Сколько протонов и нейтронов в ядре ¹⁴₆C?

Тематический тест: 20 вопросов · 25 мин

Урок пройден? Проверьте себя тестом на время по этой теме.

Начать тест