Задание 11 ОГЭ по физике: ядерные реакции и законы сохранения

Что проверяет задание

Задание 11 ОГЭ по физике проверяет умение работать с ядерными реакциями: определять состав атомного ядра, применять законы сохранения зарядового и массового чисел при превращениях элементов. Проверяется понимание строения атома, состава ядра (протоны и нейтроны), а также умение читать символическую запись ядерной реакции и находить неизвестную частицу по балансу чисел.

Это расчётная задача, но вычисления в ней простые — сложение и вычитание целых чисел. Основная трудность не в арифметике, а в правильном понимании физического смысла зарядового и массового чисел и в аккуратной работе с записью реакции.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: дана запись ядерной реакции с одним неизвестным элементом X, обозначенным символом с пропущенными или частично известными числами. Нужно найти:

• массовое число неизвестной частицы;
• зарядовое число неизвестной частицы (то есть число протонов, оно же порядковый номер элемента);
• либо назвать сам элемент по таблице Менделеева.

Задание оценивается в 1 балл — засчитывается только полностью верный числовой ответ. Записывать решение с полным пояснением не обязательно по критериям, но при вычислениях полезно расписывать баланс чисел, чтобы не ошибиться в знаках при переносе слагаемых.

Запись ядра элемента в подобных задачах выглядит так: $$_{Z}^{A}\text{X},$$ где $Z$ — зарядовое число (число протонов, порядковый номер в таблице Менделеева), $A$ — массовое число (суммарное число протонов и нейтронов, округлённая атомная масса).

Что нужно знать

• Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые вместе называются нуклонами.
• Зарядовое число $Z$ равно числу протонов в ядре и определяет химический элемент (совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева).
• Массовое число $A$ равно суммарному числу протонов и нейтронов: $A = Z + N$, где $N$ — число нейтронов.
• Число нейтронов в ядре: $N = A - Z$.
• Заряд ядра выражается через заряд протона $e$: $q = Ze$.
• Обозначение ядра: $_{Z}^{A}\text{X}$, где X — химический символ элемента.
• Обозначения простых частиц, часто встречающихся в реакциях:
• протон: $_{1}^{1}\text{p}$;
• нейтрон: $_{0}^{1}\text{n}$;
• альфа-частица (ядро гелия): $_{2}^{4}\text{He}$;
• электрон (бета-частица): $_{-1}^{0}\text{e}$;
• позитрон: $_{+1}^{0}\text{e}$.
• В любой ядерной реакции выполняются два закона сохранения:

1. Закон сохранения зарядового числа: сумма зарядовых чисел частиц до реакции равна сумме зарядовых чисел частиц после реакции.
2. Закон сохранения массового числа: сумма массовых чисел частиц до реакции равна сумме массовых чисел частиц после реакции.

• Эти законы записываются в общем виде для реакции $_{Z_1}^{A_1}\text{X}_1 + _{Z_2}^{A_2}\text{X}_2 \to _{Z_3}^{A_3}\text{X}_3 + _{Z_4}^{A_4}\text{X}_4$ так: $$A_1 + A_2 = A_3 + A_4, \qquad Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4.$$
• Если зарядовое число получившейся частицы равно 0, а массовое число равно 1, то это нейтрон. Если зарядовое число равно 0 и массовое число тоже 0 — это гамма-квант (фотон), не имеющий массы покоя и заряда.

Методы решения

Метод 1. Баланс массовых чисел. Складываем массовые числа частиц слева от стрелки, вычитаем массовые числа известных частиц справа — получаем массовое число неизвестной частицы. Пример: в реакции $_{7}^{14}\text{N} + _{2}^{4}\text{He} \to _{1}^{1}\text{p} + X$ массовое число X находится так: $14 + 4 = 1 + A_X$, откуда $A_X = 17$.

Метод 2. Баланс зарядовых чисел. Складываем зарядовые числа слева, вычитаем известные справа — получаем зарядовое число X. Пример: для той же реакции $7 + 2 = 1 + Z_X$, откуда $Z_X = 8$. Это кислород.

Метод 3. Определение вида частицы по паре чисел $(A, Z)$. Если после вычислений получилось $A=1, Z=0$ — это нейтрон; если $A=1, Z=1$ — протон; если $A=4, Z=2$ — альфа-частица; если $A=0, Z=-1$ — электрон. Пример: если расчёт дал $A_X=1$ и $Z_X=0$, значит X — нейтрон $_{0}^{1}\text{n}$.

Метод 4. Определение химического элемента по зарядовому числу. Найдя $Z_X$, смотрим в таблицу Менделеева — порядковый номер элемента равен $Z_X$, это и есть искомый элемент. Пример: если $Z_X = 8$, то это кислород O, полное обозначение продукта — $_{8}^{17}\text{O}$.

Метод 5. Нахождение числа нейтронов в ядре. Если нужно узнать число нейтронов, а не протонов, используем $N = A - Z$ уже после того, как известны оба числа для нужной частицы. Пример: для ядра $_{8}^{17}\text{O}$ число нейтронов равно $N = 17 - 8 = 9$.

Алгоритм решения по шагам

1. Внимательно перепишите уравнение реакции, выпишите отдельно массовые и зарядовые числа каждой частицы (даже если частица известна — протон, нейтрон, альфа-частица).
2. Определите, что именно спрашивают: массовое число, зарядовое число, число нейтронов или название элемента.
3. Составьте уравнение сохранения массовых чисел: сумма слева равна сумме справа, выразите неизвестное $A_X$.
4. Составьте уравнение сохранения зарядовых чисел аналогично, выразите неизвестное $Z_X$.
5. Проверьте полученные числа на здравый смысл: зарядовое число не может быть отрицательным (кроме случая электрона, где условно $Z=-1$), массовое число должно быть неотрицательным целым.
6. Если нужно — определите элемент по таблице Менделеева, используя найденное $Z_X$.
7. Запишите итоговый ответ в требуемом формате: число (массовое или зарядовое) либо символ элемента.

Разбор примеров

Пример 1.

Условие: дана ядерная реакция $$_{7}^{14}\text{N} + _{2}^{4}\text{He} \to _{1}^{1}\text{p} + X.$$ Найти число протонов в ядре атома X.

Шаг 1. Число протонов в ядре — это зарядовое число $Z_X$, поэтому нужно применить закон сохранения зарядового числа.

Шаг 2. Выписываем зарядовые числа всех частиц: у азота $Z=7$, у альфа-частицы $Z=2$, у протона $Z=1$, у X — $Z_X$ (неизвестно).

Шаг 3. Записываем уравнение сохранения заряда: $$7 + 2 = 1 + Z_X.$$

Шаг 4. Решаем уравнение: $$Z_X = 7 + 2 - 1 = 8.$$

Шаг 5. Значит, в ядре атома X содержится 8 протонов. Дополнительно можно заметить, что это соответствует элементу кислороду (порядковый номер 8), но по условию требовался именно ответ про число протонов.

Ответ: 8.

Пример 2.

Условие: дана ядерная реакция $$_{5}^{10}\text{B} + _{2}^{4}\text{He} \to _{7}^{13}\text{N} + X.$$ Найти массовое число частицы X.

Шаг 1. Массовое число ищем через закон сохранения массового числа: сумма массовых чисел слева равна сумме справа.

Шаг 2. Выписываем массовые числа: у бора $A=10$, у альфа-частицы $A=4$, у азота $A=13$, у X — $A_X$ (неизвестно).

Шаг 3. Записываем уравнение: $$10 + 4 = 13 + A_X.$$

Шаг 4. Решаем: $$A_X = 10 + 4 - 13 = 1.$$

Шаг 5. Массовое число частицы X равно 1. Это значение характерно либо для протона, либо для нейтрона — окончательно тип частицы определяется по зарядовому числу (см. следующий пример), но по условию требовалось только массовое число.

Ответ: 1.

Пример 3.

Условие: та же реакция, что и в примере 2: $$_{5}^{10}\text{B} + _{2}^{4}\text{He} \to _{7}^{13}\text{N} + X.$$ Найти зарядовое число частицы X.

Шаг 1. Зарядовое число ищем через закон сохранения зарядового числа.

Шаг 2. Выписываем зарядовые числа: у бора $Z=5$, у альфа-частицы $Z=2$, у азота $Z=7$, у X — $Z_X$ (неизвестно).

Шаг 3. Записываем уравнение: $$5 + 2 = 7 + Z_X.$$

Шаг 4. Решаем: $$Z_X = 5 + 2 - 7 = 0.$$

Шаг 5. Зарядовое число равно 0. Вместе с найденным ранее массовым числом $A_X = 1$ это означает, что X — нейтрон $_{0}^{1}\text{n}$, что физически логично: при бомбардировке бора альфа-частицами с образованием азота высвобождается нейтрон.

Ответ: 0.

Эти три примера показывают, что фактически задачи такого типа решаются одним и тем же способом — составлением баланса чисел, только вопрос может касаться либо массового, либо зарядового числа одной и той же реакции.

Типичные ошибки и ловушки

• Путаница между массовым числом $A$ (верхний индекс) и зарядовым числом $Z$ (нижний индекс) — важно всегда чётко разделять, какое из чисел ищется.
• Ошибки в знаках при переносе слагаемых через знак равенства: часто забывают, что при переходе частицы с одной стороны уравнения на другую знак меняется на противоположный.
• Путаница со стороной уравнения: неизвестная частица X может стоять как справа, так и слева от стрелки реакции — нужно внимательно смотреть, на какой стороне уравнения находится X, и правильно расставлять слагаемые.
• Неверное определение частицы по числам $(A, Z)$: например, путают нейтрон ($A=1, Z=0$) и электрон ($A=0, Z=-1$).
• Забывают, что зарядовое число протона равно 1, а не 0, и наоборот, у нейтрона заряд равен 0, а масса — 1; перепутав эти базовые частицы, получают неверный итоговый элемент.
• Механическое сложение всех чисел без разделения на массовые и зарядовые — иногда school-ники складывают верхние и нижние индексы вместе, теряя физический смысл задачи.
• Забывают проверить итоговый ответ на физическую разумность: отрицательное массовое число или дробное зарядовое число сигнализируют об ошибке в вычислениях.
• Невнимательное чтение вопроса: в одной и той же реакции могут спросить либо массовое число, либо зарядовое число, либо число нейтронов — важно отвечать именно на поставленный вопрос.

Как готовиться

Для уверенного решения этого задания нужно твёрдо знать структуру атомного ядра и уметь читать символическую запись $_{Z}^{A}\text{X}$, автоматически понимая, что верхнее число — масса, нижнее — заряд. Полезно выучить наизусть обозначения простых частиц: протона, нейтрона, альфа-частицы, электрона и позитрона, — чтобы сразу узнавать их в уравнениях реакций.

Лучший способ закрепить материал — решить подряд 15–20 задач разного типа: где неизвестна масса, где заряд, где сама частица целиком, где число нейтронов. При этом полезно каждый раз явно выписывать оба уравнения сохранения (по массе и по заряду), даже если спрашивают только одно из чисел, — это вырабатывает привычку и снижает вероятность ошибки на экзамене.

После каждой решённой задачи стоит сверяться с таблицей Менделеева, чтобы связывать найденное зарядовое число с конкретным химическим элементом — это укрепляет понимание физического смысла происходящих превращений, а не просто механического манипулирования числами. Регулярная тренировка на однотипных заданиях позволяет довести решение до автоматизма и не терять баллы на простых арифметических просчётах.