Задание №19 ЕГЭ по физике


Атом, атомное ядро. Ядерные реакции.


Для удовлетворения решения заданий № 19 требуется понимание структуры атома по Резерфорду, а также сущности процессов, происходящих при ядерных реакциях, например, при α-распаде. Необходимые теоретические сведения приведены в соответствующем разделе.


Теория к заданию №19 ЕГЭ по физике


Планетарная (ядерная) модель атома по Резерфорду

Ядерная модель атома всякого химического элемента представляет собой структуру, подобную структуре нашей Солнечной системы. Атом состоит из сосредоточенных в ядре-центре положительно заряженных протонов и определенного числа нейтральных (незаряженных) нейтронов, а также облака вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов.

Количество протонов и электронов в атоме одинаково. Его называют зарядом хим.элемента; эта величина совпадает с порядковым (атомным) номером химического элемента в таблице Менделеева (в правом верхнем углу клетки элемента) и обозначается Z. Количество нейтронов в ядре обозначается буквой N. Общее количество нейтронов и протонов называется массовым числом и обозначается А (т.е. А=Z+N). А тоже определяется из таблицы Менделеева. Эта величина указана внизу клетки элемента в виде целого числа.

Произвольный химический элемент, участвующий в ядерных реакциях, обозначается:  , где Х – химический символ вещества в соответствии с таблицей Менделеева.

Обозначения элементарных частиц в ядерных реакциях

 – электрон;  – протон;  – нейтрон.

Изотопы

Изотопами хим.элемента называют атомы, ядра которых содержат различное число нейтронов при одинаковом количестве протонов. Пример 1:  (протий), (дейтерий),  (тритий) – изотопы водорода. Пример 2:  – стабильные изотопы лития.

Цепная реакция деления ядер

Она представляет собой процесс взаимодействия нейтронов веществ, который приводит к лавинообразному нарастанию количества актов деления. Цепная реакция возможна, если при делении ядер происходит размножение нейтронов, т.е. увеличение числа нейтронов, возникших в звене реакции, по сравнению с аналогичным количеством в предыдущем звене. Развитие цепной реакции обычно вызывает наличие в активной зоне перегруженных нейтронами тяжелых ядер. Таковы, к примеру, ядра урана (U), плутония (Pu). В результате цепной реакции образуются другие хим.элементы.

Альфа-распад

Альфа-распад (α-распад) – это самопроизвольный распад ядра хим.элемента, который выражается в образовании ядра-продукта и α-частицы. Ядром-продуктом всегда является ядро хим.элемента с порядковым номером на 2 меньше порядкового номера исходного ядра. α-частицей является ядро атома 
(гелия). За редким исключением альфа-радиактивность проявляют только ядра тяжелых хим.элементов, порядковый номер которых Z>82.

Бета-распад

Бета-распад (β-распад) – самопроизвольная трансформация атомного ядра из-за испускания электрона. Причиной этого процесса является взаимное превращение нейтронов и протонов, в результате которого происходит изменение их суммарных масс в пользу массы нейтрона. Соответственно, возникающая избыточная масса (1 электрон) отторгается из атома. Параллельно с этим в атоме образуется антинейтрино (еще один вид элементарных частиц), который тоже испускается из атома.

Уравнение β-распада выглядит так:


Разбор типовых вариантов заданий №19 ЕГЭ по физике


Демонстрационный вариант 2018

В результате цепной реакции деления урана

образуется ядро химического элемента . Каковы заряд образовавшегося ядра (в единицах элементарного заряда) и его массовое число? В ответе запишите числа слитно без пробела.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем уравнение реакции. Определяем общий исходный заряд (до реакции). На основании этого и суммарного ядра бария (Ва) и нейтронов вычисляем заряд неизвестного ядра.
  2. Аналогично определяем массовое число искомого элемента.
  3. Записываем ответ.
Решение:
  1. До реакции суммарный заряд Z0=0+92=92. Известный суммарный заряд после реакции ZBa+n=56+3·0=56. Соответственно, Zx= Z0–ZBa+n=92-56=36.
  2. До начала реакции массовое число А0=1+235=236. После реакции АBa+n=139+3·1=142. Искомое массовое число Аx0–АBa+n=236-142=94.

Ответ: 3694


Первый вариант (Демидова, №1)

На рисунке представлен фрагмент Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Под названием каждого элемента приведены массовые числа его основных стабильных изотопов. При этом нижний индекс около массового числа указывает (в процентах) распространённость изотопа в природе.

http://self-edu.ru/htm/2018/ege2018_phis_30/files/1_19.files/image001.jpg

Укажите число протонов и число нейтронов в ядре самого распространённого изотопа кальция.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем предложенный фрагмент таблицы. Находим клетку элемента кальция. Определяем количество его протонов.
  2. Анализируем распространенность изотопов элемента. Определяем, исходя из этого, искомое массовое число.
  3. Находим количество нейтронов.
  4. Записываем ответ.
Решение:

1. Находим кальций (Са) в фрагменте таблицы.

Количество протонов (порядковый номер хим.элемента) Z=20.

2. В клетке элемента представлено 2 стабильных изотопа кальция. Наиболее распространенным является изотоп с массовым числом А=40 (с распространенностью, равной 97 %).

3. Количество нейтронов N=A–Z=40–20=20.

Ответ: 2020


Второй вариант (Демидова, №7)

Радиоактивный изотоп висмута  претерпевает α-распад. Укажите число протонов и число нейтронов в образовавшемся ядре.

Алгоритм решения:
  1. Составляем уравнение ядерной реакции альфа-распада.
  2. Определяем число протонов (Z) и массовое число (А) ядра образовавшегося элемента.
  3. Определяем количество нейтронов (N) образовавшегося хим.элемента.
  4. Записываем ответ.
Решение:
  1. Уравнение α-распада: .
  2. Из уравнения Zx=ZBi–Zα=83–2=81 (1-я часть ответа). Массовое число Ax=ABi–Aα=212–4=208.
  3. Количество нейтронов Nx= Zx–Ax=208–81=127 (2-я часть ответа).

Ответ: 81127


Третий вариант (Демидова, №8)

Радиоактивный изотоп висмута  претерпевает электронный β-распад. Укажите число протонов и число нейтронов в образовавшемся ядре.

Алгоритм решения:
  1. Записываем уравнение бета-распада.
  2. Определяем количество нейтронов и протонов до распада.
  3. Определяем число протонов и нейтронов после бета-распада.
  4. Записываем ответ.
Решение:
  1. Уравнение β-распада:.
  2. Исходное количество протонов составляет Z0=83. Массовое число A=212. Отсюда количество нейтронов N0=A–Z0=212–83=129.
  3. В результате бета-распада Z=Z0+183+1=84. N=N0–1=129–1=128.

Ответ: 84128