16.3 — Ядерные реакции

В ядерной реакции меняется состав ядер, а разность энергий связи проявляется как выделение или поглощение энергии. Малому дефекту массы соответствует большая энергия.

ФГОС · 9 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

энергия связидефект массыделениесинтезцепная реакция

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

В уравнениях реакции сохраняются электрический заряд и число нуклонов.
Деление тяжёлых ядер может поддерживать цепную реакцию.
Синтез лёгких ядер питает звёзды, но на Земле требует очень высокой температуры плазмы.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

E=\Delta m\,c^2

энергия дефекта массы

\sum Z_{\text{до}}=\sum Z_{\text{после}},\quad \sum A_{\text{до}}=\sum A_{\text{после}}

баланс реакции

Разбор ситуации

Потеря массы всего 1 мг соответствует энергии около 9·10¹⁰ Дж, если масса полностью превращается в энергию.

Связи и применение

В реальном мире

Потеря массы всего 1 мг соответствует энергии около 9·10¹⁰ Дж, если масса полностью превращается в энергию.

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Ядерные реакции» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: энергия связи, дефект массы, деление.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

энергия связи: Энергия, необходимая для полного разделения связанной системы на свободные части.
дефект массы: Разность суммы масс свободных составляющих и массы связанной системы.
деление: Ядерная реакция распада тяжёлого ядра на более лёгкие фрагменты с выделением энергии и нейтронов.
синтез: Ядерная реакция объединения лёгких ядер в более тяжёлое с возможным выделением энергии.
цепная реакция: Самоподдерживающийся процесс деления, в котором продукты предыдущего акта вызывают последующие акты.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

E=\Delta m\,c^2

следствие модели

Энергия дефекта массы. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\Delta m=Zm_p+Nm_n-m_{\text{ядра}}

Дефект массы находят как разность суммы масс свободных нуклонов и массы связанного ядра.

E_0=mc^2

Релятивистская модель связывает массе покоя системы соответствующую энергию покоя.

E_{\text{св}}=(m_{\text{свобод}}-m_{\text{ядра}})c^2=\Delta m\,c^2

Разность энергий покоя свободных и связанных нуклонов равна энергии связи ядра.

Условия: Дефект массы и энергия относятся к одним и тем же начальным и конечным состояниям; массы покоя выражены согласованно, c — скорость света в вакууме. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

\sum Z_{\text{до}}=\sum Z_{\text{после}},\quad \sum A_{\text{до}}=\sum A_{\text{после}}

эмпирический закон

Баланс реакции. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

Q_{\text{до}}=e\sum Z_{\text{до}},\quad Q_{\text{после}}=e\sum Z_{\text{после}}

Сохранение электрического заряда требует равенства суммарных зарядовых чисел участников реакции.

N_{\text{нуклонов,до}}=\sum A_{\text{до}},\quad N_{\text{нуклонов,после}}=\sum A_{\text{после}}

В школьной записи ядерных реакций сохраняется общее число нуклонов, поэтому балансируют массовые числа.

\sum Z_{\text{до}}=\sum Z_{\text{после}},\quad \sum A_{\text{до}}=\sum A_{\text{после}}

Оба правила выражают экспериментально установленные законы сохранения и позволяют найти неизвестный продукт реакции.

Условия: Ядерная реакция в школьной нуклидной записи; учитываются все ядра и испущенные нуклоны, а для β-распадов также частицы, несущие заряд. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: В уравнениях реакции сохраняются электрический заряд и число нуклонов.

Как проверить рассуждениеДеление тяжёлых ядер может поддерживать цепную реакцию. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Ядерные реакции

В уравнениях реакции сохраняются электрический заряд и число нуклонов.
Деление тяжёлых ядер может поддерживать цепную реакцию.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.