РУҚА
Задания № 17, 18, 20, 21, 22, 25, 26 · ЕГЭ

Решение задач на ядерные реакции

Алгоритмы составления уравнений, законы сохранения и расчёт энергетического выхода
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Ядерные реакции решают по единому алгоритму: записывают состав ядер и частиц, применяют законы сохранения, находят неизвестную частицу или величину, а затем при необходимости рассчитывают энергетический выход. Перед началом полезно повторить законы сохранения в ядерных реакциях, уравнение ядерной реакции и дефект массы.

Основные понятия и обозначения

Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с другой частицей или при самопроизвольном распаде. В записи реакции слева указывают исходные частицы, справа — продукты реакции. Например, \(^{14}_{7}\mathrm{N}+^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{17}_{8}\mathrm{O}+^{1}_{1}\mathrm{H}\).

D
Нуклонные числа и заряды

В записи \(^{A}_{Z}X\) число \(A\) — массовое число, равное числу протонов и нейтронов в ядре, а \(Z\) — зарядовое число, равное числу протонов. Число нейтронов: \(N=A-Z\).

T
Законы сохранения

В ядерной реакции сохраняются суммарное массовое число \(A\) и суммарный электрический заряд, то есть зарядовое число \(Z\). Для реакции \(a+A\rightarrow b+B\): \(A_a+A_A=A_b+A_B\) и \(Z_a+Z_A=Z_b+Z_B\).

\(A\)
массовое число
1
\(Z\)
зарядовое число
1
\(m\)
масса частицы или ядра
кг, а.е.м.
\(E\)
энергия
Дж, МэВ
\(Q\)
энергетический выход
Дж, МэВ

Для обозначения частиц используют: нейтрон \(^{1}_{0}\mathrm{n}\), протон \(^{1}_{1}\mathrm{p}\), электрон \(^{0}_{-1}\mathrm{e}\), позитрон \(^{0}_{+1}\mathrm{e}\), альфа-частицу \(^{4}_{2}\mathrm{He}\), гамма-квант \(^{0}_{0}\gamma\). У нейтрино и антинейтрино также \(A=0\) и \(Z=0\).

Алгоритм составления уравнения реакции

  1. Запишите все известные частицы в ядерной форме \(^{A}_{Z}X\).
  2. Обозначьте неизвестную частицу или ядро символом \(^{A}_{Z}X\).
  3. Составьте два уравнения: отдельно по массовым числам \(A\), отдельно по зарядовым числам \(Z\).
  4. Найдите \(A\) и \(Z\) неизвестной частицы. По \(Z\) определите химический элемент в таблице Менделеева.
  5. Проверьте результат: должны выполняться оба закона сохранения, а найденная частица должна быть физически возможной.
\[\sum A_{\text{до}}=\sum A_{\text{после}},\qquad \sum Z_{\text{до}}=\sum Z_{\text{после}}\]1

Если в реакции участвует гамма-квант, его массовое и зарядовое числа равны нулю. Поэтому он не меняет баланс \(A\) и \(Z\), но может переносить энергию и импульс. В задачах на радиоактивные превращения удобно использовать правила радиоактивных превращений: при альфа-распаде \(A\) уменьшается на 4, а \(Z\) — на 2; при бета-минус-распаде \(Z\) увеличивается на 1, а \(A\) не изменяется.

Приём для неизвестного ядра

Сначала находите \(A\), затем \(Z\). После этого элемент определяется только по \(Z\): например, \(Z=8\) — кислород, \(Z=7\) — азот, \(Z=6\) — углерод. Не пытайтесь определить элемент по массовому числу.

Микропроверка

Какую частицу нужно добавить в реакцию \(^{9}_{4}\mathrm{Be}+^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{12}_{6}\mathrm{C}+X\)?

Разобранный пример: определение неизвестной частицы

№
Задача

Определите частицу \(X\) в реакции \(^{27}_{13}\mathrm{Al}+^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{30}_{15}\mathrm{P}+X\).

1
Запишем сохранение массового числа.
\(\displaystyle 27+4=30+A_X\)
2
Найдём массовое число неизвестной частицы.
\(\displaystyle A_X=31-30=1\)
3
Запишем сохранение электрического заряда.
\(\displaystyle 13+2=15+Z_X\)
4
Найдём зарядовое число неизвестной частицы.
\(\displaystyle Z_X=15-15=0\)
5
Сопоставим \(A_X=1\) и \(Z_X=0\) с известными частицами.
\(\displaystyle X=^{1}_{0}\mathrm{n}\)

Ответ: в реакции испускается нейтрон. Проверка: слева \(A=31\), справа \(A=30+1=31\); слева \(Z=15\), справа \(Z=15+0=15\).

Энергетический выход реакции

Энергетический выход \(Q\) показывает, сколько энергии выделяется или поглощается в реакции из-за изменения суммарной массы покоя. Для расчёта используют массы всех частиц до и после реакции. Если масса до реакции больше массы после, энергия выделяется и \(Q>0\). Если масса после больше, энергия поглощается и \(Q<0\).

\[Q=\left(\sum m_{\text{до}}-\sum m_{\text{после}}\right)c^2\]2

При использовании атомных масс электронные массы обычно взаимно сокращаются в реакциях, где общее число электронов слева и справа одинаково. Для ядерных масс это сокращение не происходит автоматически, поэтому важно не смешивать ядерные и атомные массы без проверки.

\[1\ \text{а.е.м.}\cdot c^2\approx 931{,}5\ \text{МэВ}\]3
\[Q=\Delta m\cdot 931{,}5\ \text{МэВ},\qquad \Delta m=\sum m_{\text{до}}-\sum m_{\text{после}}\]4

Если ответ требуется в джоулях, применяют переход \(1\ \text{эВ}=1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{Дж}\), поэтому \(1\ \text{МэВ}=1{,}6\cdot10^{-13}\ \text{Дж}\). Подробное понятие энергетического выхода реакции и связь с энергией связи рассматриваются отдельно.

Пример расчёта энергетического выхода

Для реакции \(^{2}_{1}\mathrm{H}+^{3}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+^{1}_{0}\mathrm{n}\) даны атомные массы: \(m_D=2{,}0141\ \text{а.е.м.}\), \(m_T=3{,}0160\ \text{а.е.м.}\), \(m_{He}=4{,}0026\ \text{а.е.м.}\), \(m_n=1{,}0087\ \text{а.е.м.}\). Найдём \(Q\).

1
Сложим массы исходных частиц.
\(\displaystyle m_{\text{до}}=2{,}0141+3{,}0160=5{,}0301\ \text{а.е.м.}\)
2
Сложим массы продуктов реакции.
\(\displaystyle m_{\text{после}}=4{,}0026+1{,}0087=5{,}0113\ \text{а.е.м.}\)
3
Найдём дефект массы.
\(\displaystyle \Delta m=5{,}0301-5{,}0113=0{,}0188\ \text{а.е.м.}\)
4
Переведём дефект массы в энергию.
\(\displaystyle Q=0{,}0188\cdot931{,}5\approx17{,}5\ \text{МэВ}\)
5
При необходимости переведём энергию в СИ.
\(\displaystyle Q\approx17{,}5\cdot1{,}6\cdot10^{-13}\approx2{,}8\cdot10^{-12}\ \text{Дж}\)
Знак энергетического выхода

\(Q>0\) — реакция экзоэнергетическая, энергия выделяется. \(Q<0\) — реакция эндоэнергетическая, для реакции требуется подвод энергии.

!
Частые ошибки

Не путайте \(A\) и \(Z\): массовое число не является зарядом ядра. Не забывайте коэффициенты перед частицами: они умножают и \(A\), и \(Z\). Не приписывайте нейтрону заряд \(-1\): у него \(A=1\), \(Z=0\). В формуле \(Q\) соблюдайте порядок «масса до минус масса после». Нельзя складывать массу только ядер, если в таблице приведены атомные массы, не проверив электронный баланс.

Что ещё проверять в задачах

  • Баланс массовых чисел выполнен.
  • Баланс зарядовых чисел выполнен.
  • Все коэффициенты реакции учтены.
  • Единицы измерения приведены к одной системе.
  • Знак и порядок величины энергетического выхода имеют физический смысл.

В задачах на импульс и кинетическую энергию законы сохранения \(A\) и \(Z\) остаются необходимыми, но могут потребоваться также закон сохранения импульса и энергии. Для схем деления и синтеза полезно знать особенности термоядерной реакции, а термин ядерная реакция является более общим понятием.

Q
Быстрый тест по теме

Итоговая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · Обозначения частиц
Чему равен зарядовой номер нейтрона?
Главное за минуту

Главное

  • Записывайте частицы в виде \(^{A}_{Z}X\) и отдельно сохраняйте массовое число \(A\) и зарядовое число \(Z\).
  • Неизвестную частицу находите двумя уравнениями: по \(A\) и по \(Z\).
  • Энергетический выход рассчитывают по формуле \(Q=(\sum m_{\text{до}}-\sum m_{\text{после}})c^2\).
  • Для масс в а.е.м. используйте \(1\ \text{а.е.м.}\cdot c^2\approx931{,}5\ \text{МэВ}\).
  • Всегда проверяйте баланс, единицы измерения и знак полученной энергии.