Какие законы сохранения выполняются в радиоактивных превращениях?

7 ответов на вопрос “Какие законы сохранения выполняются в радиоактивных превращениях?”

  1. Maudal Ответить

    Ядерной реакцией в широком смысле называют процесс, который происходит в результате взаимодействия нескольких сложных атомных ядер или элементарных частиц. Так же ядерными реакциями называют такие реакции, в которых среди исходных частиц присутствует хотя бы одно ядро, оно стыкается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и создаются новые частицы.
    При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения.

    Закон сохранения энергии

    Если E1, E2,
    E3, E4 — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:
    E1 + E2 = E3 + E4
    При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc2 и кинетической энергии E, поэтому:
    M1c2 + M2c2 + E1 + E2 = M3c2 + M4c2 + E3 + E4
    Величина Q, которая называется энергией реакции равна:
    Q = (E3 + E4) – (E1 + E2)
    поэтому:
    M1 + M2) = M3 + M4 + Q/c2
    Множитель \( \frac{1}{c^2} \) обычно опускают, при подсчёте баланса либо выражая массы частиц через энергетические единицы, либо энергию в массовых единицах.
    Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.
    Легко заметить, что тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой.

    Закон сохранения импульса

    Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если p1, p2,
    p3, p4 — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то:
    p1 + p2 = p3 + p4
    Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

    Закон сохранения механического момента

    Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, механический момент которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов частиц и момента их относительного движения. Пути распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся момент количества движения. Никаких исключений из этого правила экспериментально обнаружено не было.

    Другие законы сохранения

    при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
    при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.
    при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях под воздействием слабых сил.

    Законы сохранения в ядерных реакциях

    Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:
    за природою частиц, которые участвуют в реакции;
    за массовым числом ядер, которые участвуют в реакции;
    за энергетическим (тепловым) эффектом;
    за характером ядерных преобразований.
    За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:
    при малых энергиях ($E\le 1\ кэВ$);
    при низких энергиях ($1\ кэВ\le E\le 1\ МэВ$);
    при средних энергиях ($1\ МэВ\le E\le 100\ МэВ$);
    при значимых энергиях ($100\ МэВ\le E\le 1\ ГэВ)$;
    при высоких энергиях ($1\ ГэВ\le E\le 500\ ГэВ$);
    при сверхвысоких энергиях ($E>500\ ГэВ$).
    В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:

    Рисунок 1.
    В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:
    под действием нейтронов;
    под действием фотонов;
    под действием заряженных частиц.
    За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:
    на легких ядрах ($A
    на средних ядрах ($50
    на массивных ядрах ($A >100$).
    За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:
    радиационный захват;
    кулоновское возбуждение;
    деление ядер;
    реакция взрыва;
    ядерный фотоэффект.
    При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:
    закон сохранения энергии;
    закон сохранения импульса;
    закон сохранения электрического заряда;
    закон сохранения барионного заряда;
    закон сохранения лептонного заряда.
    Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.
    Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q

  2. Gatilar Ответить

    ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
    1. Правило смещения при -распада
    Найдем правило, согласно которому изменяются массовое и зарядовое числа ядра во время -распад (испускания -частиц).
    Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием -частиц, называются -распадом.
    Поскольку -частица является ядром Гелия, уравнение -распада в общем виде можно записать так:

    Альфа-распад уменьшает массовое число на 4, а зарядовое число на 2, то есть перемещает элемент на две клетки к началу периодической системы. Например,
    2. Правило смещения при ?-распада
    Во время ?-распада ядра из него вылетает электрон. При этом общее число нуклонов в ядре остается прежним, то есть массовое число ядра не изменяется. Заряд же ядра увеличивается на e, потому что электрон заряжен отрицательно.
    Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием ?-частиц, называются ?-распадом.
    Во время ?-распада:
    Бета-распад не изменяет массовое число, а зарядовое число увеличивает на 1, т.е. смещает элемент на одну клетку ближе к концу периодической системы.
    Например,
    Может возникнуть вопрос: почему из ядра вылетают электроны, если оно состоит только из нуклонов, то есть протонов и нейтронов? Дело в том, что один из нейтронов ядра, выпустив электрон, превращается в протон.
    -распад и ?-распад является последствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных превращений,- сохранения электрического заряда и массового числа:
    O сумма зарядов (массовых чисел) продуктов распада равна заряду (массовому числу) исходного ядра.
    Во время ?-излучения из ядра вылетает фотон не имеет электрического заряда. Число нуклонов при этом не меняется. Следовательно, при ?-излучения зарядовое число ядра не изменяется, то есть ядро остается ядром того же химического элемента с тем же массовым числом.
    Необходимо отметить, что при ?-распада, кроме электрона, вылетает еще одна частица – электронное антинейтрино свойства которой мы рассмотрим позже.

    3. Радиоактивные семейства
    Ядра, которые возникли в результате радиоактивного распада радиоактивные. Так возникает цепочка радиоактивных превращений, и ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд или радиоактивное семейство.
    Элементы, которые составляют цепочку преобразований, называют радиоактивным рядом.
    Преобразования продолжаются, пока не возникает стабильное ядро (это может произойти после 10-15 радиоактивных превращений).
    В природе существуют три радиоактивных семейства: семейство Урана 23892U; семейство Тория 23290Th и семейство Актинію 23589Ac. Семейство Урана заканчивается свинцом 20682Pb; Тория – 20882Pb; Актинію – 20782Pb. Измерив количество свинца в урановой руде, можно установить возраст этой руды.
    ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
    1). Качественные вопросы
    1. Какие из известных вам законов сохранения выполняются во время радиоактивного распада?
    2. Можно утверждать, что при ?-распаде из ядра вылетает электрон? Почему?
    2). Учимся решать задачи
    1. Определите, ядро какого химического элемента X образуется в результате такой реакции ?-распада:
    2. Ядро изотопа 21183Bi получилось из другого ядра после последовательных – и ?-распадов. Что это за ядро?
    3. Сколько – и ?-распадов происходит в результате превращения радия-226 в свинец-206?
    ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
    • Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием -частиц, называются -распадом:

    • Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием ?-частиц, называются ?-распадом:

    Домашнее задание
    1. Подр-1: § 56 (п. 2, 3, 4); подр-2: § 28 (п. 1).
    2. Сб.:
    Рів1 № 17.11; 17.12; 17.13; 17.27.
    Рів2 № 17.28; 17.29; 17.30.
    Рів3 № 17.50; 17.51; 17.52; 17.53.

  3. Artur_Volk Ответить

    В твердых телах атомные ядра при их малых размерах (<10-12 см) удалены друг от друга на расстояния ~ 10-8 см. Малое значение химической энергии связи позволяет считать систему из двух взаимодействующих ядерных частиц замкнутой (изолированной). В соответствии со вторым законом Ньютона изменение импульса системы тел
    .
    (4.4.3)
    В замкнутой системе равнодействующая всех сил, действующих на систему, равна нулю и поэтому сохраняется полный импульс и, следовательно, полная энергия системы частиц.
    Закон сохранения энергии для ядерной реакции записывается следующим образом:
    E1 = E2 ,
    (4.4.4)
    т.е. полная энергия системы частиц до реакции равна полной энергии системы образовавшихся частиц:
    E01 + T1 +U1 = E02 + T2 + U2,
    (4.4.5)
    где (для процесса (4.1.1)): E01 = ma + MA и E02 = mb + MB –суммарные массы покоя (в энергетических единицах) частиц до и после реакции; Т1 = Та + ТА и Т2 = Тb + TB – суммарные кинетические энергии частиц, вступивших в ядерную реакцию, и возникших в результате реакции; U1 и U2 – потенциальные энергии взаимодействия между собой частиц до и после реакции. Поскольку наблюдения за частицами ведут на макроскопических расстояниях, то на таких расстояниях их взаимная потенциальная энергия равна нулю.
    Величина
    Q = E01 – E02 = T2 – T1
    (4.4.6)
    называется энергией реакции. Очевидно, что величина Q не зависит от выбора системы координат, т.к. определяется разностью масс покоя.
    Если Q > 0, то реакция сопровождается увеличением суммарной кинетической энергии частиц (выделением энергии), образовавшихся в результате реакции, за счет уменьшения массы (энергии) покоя системы и называется экзоэнергетической. Экзоэнергитические реакции могут идти при любой кинетической энергии частиц, вступающих в ядерную реакцию.
    Если Q < 0, то реакция сопровождается увеличением энергии покоя образовавшихся частиц за счет уменьшения суммарной кинетической энергии системы и называется эндоэнергетической. Эндоэнергетические реакции обладают энергетическим порогом – минимальной величиной кинетической энергии частиц, необходимой для открытия такого канала реакции (см. (4.5.24)).
    Случай Q = 0 соответствует упругому рассеянию частиц. Состав входного и выходного каналов при этом не изменяется, не изменяется сумма энергия покоя частиц и их кинетической энергии.
    Закон сохранения импульса в ядерной реакции (4.4.1):
    ,
    (4.4.7)
    т.е. полный импульс системы частиц до реакции равен полному импульсу частиц, возникших в результате реакции. Для реакции (4.4.1)
    .
    (4.4.8)
    Точно так же сохраняется и полный момент,состоящий из суммы относительного, то есть орбитальногомоментадвижения каждой из частиц относительно центра инерции системы,и собственных моментов частиц (спинов):

    (4.4.9)
    Закон сохранения четности в ядерной реакции записывается в виде

    (4.4.10)
    где буквой Р обозначены соответствующие собственные четности частиц, а и – четность орбитального движения. Так же как и другие законы сохранения, закон сохранения четности накладывает ограничения на возможность протекания реакции.
    При упругом рассеянии собственные четности частиц не изменяются. Поэтому из (4.4.10) следует, что при упругом рассеянии l может изменяться только на четное число.
    В ядерных реакциях выполняется также закон сохранения суммарного изотопического спина частиц (см. §1.10), что приводит к определенным правилам отбора по изоспину.

  4. VideoAnswer Ответить

  5. VideoAnswer Ответить

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *