21.2: Ulinganifu wa nyuklia

Malengo ya kujifunza

• Kutambua chembe za kawaida na nguvu zinazohusika katika athari za nyuklia
• Andika na usawa usawa wa nyuklia

Mabadiliko ya viini yanayotokana na mabadiliko katika namba zao za atomia, namba za wingi, au majimbo ya nishati ni athari za nyuklia. Kuelezea mmenyuko wa nyuklia, tunatumia equation inayobainisha nuclides zinazohusika katika mmenyuko, namba zao za wingi na namba za atomiki, na chembe zingine zinazohusika katika mmenyuko.

Aina ya Chembe katika athari za nyuklia

Vyombo vingi vinaweza kushiriki katika athari za nyuklia. Ya kawaida ni protoni, neutroni, chembe za alpha, chembe za beta, positrons, na mionzi ya gamma, kama inavyoonekana kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\). Protoni\( (\ce{^{1}_{1}p}\), pia zinawakilishwa\(\ce{^1_1H})\) na alama na nyutroni\( (\ce{^1_0n})\) ni sehemu za viini vya atomiki, na zimeelezwa hapo awali. Chembe za Alpha\( (\ce{^4_2He}\), pia zinawakilishwa na ishara\(\ce{^{4}_{2}\alpha})\) ni nuclei ya juu ya nishati ya heliamu. Chembe za beta\( (\ce{^{0}_{−1}\beta}\), pia\(\ce{^0_{-1}e})\) zinawakilishwa na ishara ni elektroni za juu-nishati, na mionzi ya gamma ni photoni za mionzi ya juu ya nishati ya umeme. Positroni\( (\ce{^0_{+1}e}\), pia inawakilishwa na ishara\(\ce{^0_{+1}β})\) ni elektroni za kushtakiwa vyema (“anti-elektroni”). Subscripts na superscripts ni muhimu kwa kusawazisha milinganyo ya nyuklia, lakini kwa kawaida ni hiari katika mazingira mengine. Kwa mfano, chembe ya alpha ni kiini cha heliamu (He) na chaji ya +2 na idadi kubwa ya 4, hivyo inaashiria\(\ce{^4_2He}\). Hii inafanya kazi kwa sababu, kwa ujumla, malipo ya ion si muhimu katika kusawazisha milinganyo ya nyuklia.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Ingawa aina nyingi zinakabiliwa na athari za nyuklia, meza hii inafupisha majina, alama, uwakilishi, na maelezo ya kawaida ya haya.

Jedwali hili lina nguzo nne na safu saba. Mstari wa kwanza ni mstari wa kichwa na huandika kila safu: “Jina,” “Ishara (s),” “Uwakilishi,” na “Maelezo.” Chini ya safu ya “Jina” ni zifuatazo: “Alpha chembe,” “chembe ya beta,” “Positron,” “proton,” “Neutron,” na “Gamma ray.” Chini ya safu ya “Mkono (s)” ni yafuatayo: “superscript 4 imechukuliwa juu ya usajili 2 H e au alpha ndogo,” “superscript 0 imechukuliwa juu ya usajili 1 e au beta ya chini,” “superscript 0 imechukuliwa juu ya usajili mzuri 1 e au ishara ya chini ya beta superscript,” “superscript 1 imechukuliwa juu ya subscript 1 H au lowercase rho superscript 1 sifa juu ya subscript 1 H, “superscript 1 sifa juu ya subscript 0 n au lowercase eta superscript 1 sifa juu ya subscript 0 n,” na gamma lowercase. Chini ya “safu ya Uwakilishi,” ni yafuatayo: nyanja mbili nyeupe zilizounganishwa na nyanja mbili za bluu za ukubwa sawa na ishara nzuri ndani yao; nyanja ndogo nyekundu yenye ishara hasi ndani yake; nyanja ndogo nyekundu yenye ishara nzuri ndani yake; nyanja ya bluu yenye ishara nzuri ndani yake; nyanja nyeupe; na a zambarau squiggle ling na mshale akizungumzia haki ya gamma lowercase. Chini ya safu ya “Maelezo” ni yafuatayo: “(High-energy) nuclei ya heliamu yenye protoni mbili na nyutroni mbili,” “uchaguzi (High-energy),” “Chembe zenye masi sawa na elektroni lakini zenye kitengo 1 cha chaji chanya,” “Nuclei ya atomi za hidrojeni,” “Chembe zilizo na masi takriban sawa na ile ya proton lakini bila malipo,” na “high-sana nishati ya umeme mionzi.”

Kumbuka kwamba positroni ni sawa na elektroni, isipokuwa wana malipo kinyume. Wao ni mfano wa kawaida wa antimatter, chembe zilizo na wingi sawa lakini hali tofauti ya mali nyingine (kwa mfano, malipo) kuliko jambo la kawaida. Wakati antimater inakabiliwa na jambo la kawaida, wote ni kuangamizwa na wingi wao ni waongofu katika nishati katika mfumo wa mionzi ya gamma (γ) -na chembe nyingine ndogo ndogo ndogo, ambayo ni zaidi ya upeo wa sura hii-kulingana na equation molekuli nishati ulinganifu\(E = mc^2\), kuonekana katika iliyotangulia sehemu. Kwa mfano, wakati positron na elektroni hupigana, wote wawili huharibiwa na photons mbili za gamma ray zinaundwa:

\[\ce{^0_{−1}e + ^0_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1} \]

Mionzi ya Gamma hutunga wavelength fupi, mionzi ya juu-nishati ya umeme na ni (mengi) yenye nguvu zaidi kuliko X-rays inayojulikana zaidi. Mionzi ya Gamma huzalishwa wakati kiini kinakabiliwa na mpito kutoka hali ya juu hadi chini ya nishati, sawa na jinsi photon inavyozalishwa na mpito wa elektroniki kutoka ngazi ya juu hadi chini ya nishati. Kutokana na tofauti kubwa za nishati kati ya maganda ya nishati ya nyuklia, mionzi ya gamma inayotokana na kiini huwa na nguvu ambazo ni kawaida mamilioni ya nyakati kubwa kuliko mionzi ya sumakuumeme inayotokana na mabadiliko ya elektroniki.

kusawazisha athari nyuklia

Uwiano wa mmenyuko wa kemikali unaonyesha ukweli kwamba wakati wa mmenyuko wa kemikali, vifungo huvunja na kuunda, na atomi zinarekebishwa upya, lakini idadi ya atomi za kila kipengele huhifadhiwa na hazibadilika. Uwiano wa majibu ya nyuklia unaonyesha kuwa kuna rearrangement wakati wa mmenyuko wa nyuklia, lakini ya chembe za subatomiki badala ya atomi. Athari za nyuklia pia hufuata sheria za uhifadhi, na zina uwiano kwa njia mbili:

1. Jumla ya idadi kubwa ya reactants ni sawa na jumla ya idadi kubwa ya bidhaa.
2. Jumla ya mashtaka ya reactants ni sawa na jumla ya mashtaka ya bidhaa.

Kama namba atomia na idadi kubwa ya yote lakini moja ya chembe katika mmenyuko wa nyuklia zinajulikana, tunaweza kutambua chembe kwa kusawazisha mmenyuko. Kwa mfano, tunaweza kuamua kwamba\(\ce{^{17}_8O}\) ni bidhaa ya majibu ya nyuklia ya\(\ce{^{14}_7N}\) na\(\ce{^4_2He}\) kama sisi alijua kwamba proton\(\ce{^1_1H}\),, ilikuwa moja ya bidhaa mbili. Mfano\(\PageIndex{1}\) unaonyesha jinsi tunavyoweza kutambua nuclide kwa kusawazisha majibu ya nyuklia.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Balancing Equations for Nuclear Reactions

Mmenyuko wa\(α\) chembe yenye magnesium-25\( (\ce{^{25}_{12}Mg})\) hutoa protoni na nuclide ya kipengele kingine. Kutambua nuclide mpya zinazozalishwa.

Suluhisho

Mitikio ya nyuklia yanaweza kuandikwa kama:

\[\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X} \nonumber \]

wapi

• \(\ce A\)ni idadi kubwa na
• \(\ce Z\)ni idadi ya atomiki ya nuclide mpya,\(\ce X\).

Kwa sababu jumla ya idadi kubwa ya wahusika lazima iwe sawa na jumla ya idadi kubwa ya bidhaa:

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

kwa hivyo

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

Vile vile, mashtaka yanapaswa kusawazisha, hivyo:

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \]

kwa hivyo

\[\mathrm{Z=13} \nonumber \]

Angalia meza ya mara kwa mara: Kipengele kilicho na malipo ya nyuklia = +13 ni alumini. Hivyo, bidhaa ni\(\ce{^{28}_{13}Al}\).

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Nuclide\(\ce{^{125}_{53}I}\) inachanganya na elektroni na hutoa kiini kipya na hakuna chembe nyingine kubwa. Je, ni equation kwa mmenyuko huu?

Jibu

\[\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber \]

Zifuatazo ni milinganyo ya athari kadhaa za nyuklia ambazo zina majukumu muhimu katika historia ya kemia ya nyuklia:

• Kipengele cha kwanza kilichotokea kwa kawaida ambacho kilikuwa kimetengwa, polonium, kiligunduliwa na mwanasayansi wa Kipolishi Marie Curie na mumewe Pierre mwaka 1898. Inaharibika, ikitoa chembe α:\[\ce{^{212}_{84}Po⟶ ^{208}_{82}Pb + ^4_2He}\nonumber \]
• Nuclide ya kwanza kutayarishwa kwa njia bandia ilikuwa isotopu ya oksijeni, ¹⁷ O. ilitengenezwa na Ernest Rutherford mwaka 1919 kwa kupiga atomi za nitrojeni na chembe α:\[\ce{^{14}_7N + ^4_2α⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
• James Chadwick aligundua nyutroni mwaka 1932, kama chembe isiyojulikana ya neutral iliyotengenezwa pamoja na ¹² C na mmenyuko wa nyuklia kati ya ⁹ Kuwa na ⁴ Yeye:\[\ce{^9_4Be + ^4_2He⟶ ^{12}_6C + ^1_0n} \nonumber \]
• Kipengele cha kwanza kutayarishwa ambacho hakitokea kwa kawaida duniani, technetium, kiliundwa na bombardment ya molybdenum na deuterons (hidrojeni nzito,\(\ce{^2_1H}\)), na Emilio Segre na Carlo Perrier mwaka 1937:\[ \ce{^2_1H + ^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n + ^{97}_{43}Tc}\nonumber \]
• Mmenyuko wa kwanza wa nyuklia uliodhibitiwa ulifanyika katika reactor katika Chuo Kikuu cha Chicago mwaka wa 1942. Moja ya athari nyingi zilizohusika ni:\[ \ce{^{235}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{87}_{35}Br + ^{146}_{57}La + 3^1_0n} \nonumber \]

Muhtasari

Nuclei inaweza kupitia athari zinazobadilisha idadi yao ya protoni, idadi ya nyutroni, au hali ya nishati. Chembe nyingi tofauti zinaweza kushiriki katika athari za nyuklia. Ya kawaida ni protoni, neutroni, positroni (ambazo ni elektroni zenye chaji chanya), chembe za alpha (α) (ambazo ni viini vya juu vya nishati ya heliamu), chembe za beta (β) (ambazo ni elektroni za juu-nishati), na mionzi ya gamma (γ) (ambayo hutunga mionzi ya umeme ya juu-nishati). Kama ilivyo na athari za kemikali, athari za nyuklia huwa na usawa. Wakati mmenyuko wa nyuklia unatokea, wingi wa jumla (idadi) na malipo ya jumla hubakia bila kubadilika.

faharasa

alpha chembe

(α au\(\ce{^4_2He}\) au\(\ce{^4_2α}\)) kiini cha heliamu cha juu cha nishati; atomu ya heliamu ambayo imepoteza elektroni mbili na ina protoni mbili na nyutroni mbili

kipinga-mata

chembe na molekuli sawa lakini mali kinyume (kama vile malipo) ya chembe ya kawaida

beta chembe

(\(β\)\(\ce{^0_{-1}e}\)au\(\ce{^0_{-1}β}\)) high-nishati elektroni

gamma ray

(γ au\(\ce{^0_0γ}\)) wavelength fupi, mionzi ya juu-nishati ya umeme inayoonyesha duality ya chembe ya wimbi

nyuklia majibu

mabadiliko ya kiini na kusababisha mabadiliko katika idadi ya atomiki, idadi ya wingi, au hali ya nishati

positron (\(\ce{^0_{+1}β}\)au\(\ce{^0_{+1}e}\))

antiparticle kwa elektroni; ina mali sawa na elektroni, ila kwa kuwa na malipo kinyume (chanya)