Енергията на свързване на атомното ядро: формула, значение и определение. Енергия на свързване на ядрата

Енергия на връзката

Енергията на връзката е мярка за силата на всяка химическа връзка. За да се разруши химическа връзка, е необходимо да се изразходва енергия, равна по големина на енергията, която се е освободила при образуването на химическа връзка.

Количеството енергия, освободено по време на образуването на молекула от атоми, Наречен енергия за образуване на връзка или просто свързваща енергия.

Енергията на свързване се изразява в kJ/mol, например:

H + H ® H 2 + 435 kJ.

Естествено, същото количество енергия трябва да се изразходва за разкъсване на химични връзки в 1 мол водород. Следователно, колкото по-голяма е енергията на връзката, толкова по-силна е връзката. Например, E CB (H 2) \u003d 435 kJ / mol и E CB (N 2) = 942 kJ / mol. И наистина, връзката в молекулата на азота (както беше показано по-рано, тройна) е много по-силна от връзката в молекулата на водорода.

Разцепването на връзката може да се извърши хомолитично (с образуването на неутрални атоми) и хетеролитично (с образуването на йони), а енергията на разцепване може да е различна.

NaCl (g) = Na (g) + Cl g - 414 kJ


За молекули от същия тип дължината на химичната връзка може също да служи като характеристика на силата на връзката: в края на краищата, колкото по-къса е дължината на връзката, толкова по-голяма е степента на припокриване на електронния облак.

По този начин дължините на връзката l (HF) = 0,092 nm и l (HJ) = 0,162 nm показват по-голяма сила на връзката в молекулата на флуороводорода, което се потвърждава от практиката.

Трябва да се отбележи, че експериментално определените дължини на връзката характеризират само средното разстояние между атомите, тъй като атомите в молекулите и кристалите осцилират около равновесното положение.

Припокриването на електронни облаци, водещо до образуването на химична връзка, е възможно само ако те имат определена взаимна ориентация. Областта на припокриване също е разположена в определена посока към взаимодействащите атоми. Затова казват така ковалентната химична връзка има насоченост.В този случай може да има връзки от 3 вида, които се наричат ​​s- (сигма), p- (pi) и d- (делта) връзки.

В горните случаи на образуване на молекули H 2 и Cl 2, припокриването на електронните облаци става по права линия, свързваща центровете на атомите. Ковалентната връзка, образувана в резултат на припокриването на електронни облаци по линията, свързваща центровете на атомите, се нарича s-връзка. s-връзка се образува (фиг. 3), когато s - s - облаци (например H 2), p x - p x - облаци (Cl 2), s - p x (HF) се припокриват.


Ориз. 3. s-връзки в H 2 (a), Cl 2 (b), HF (c) молекули

По време на взаимодействието на p-електронни облаци, ориентирани перпендикулярно на оста, свързваща центровете на атомите (p y - и p z - облаци), се образуват две припокриващи се области, разположени от двете страни на оста. Тази позиция съответства на образуването на p-връзка.

р-връзкае връзка, за която свързващият електронен облак има равнина на симетрия, минаваща през атомните ядра.

p-връзките не съществуват сами: те се образуват в молекули, които вече имат s-връзки, и водят до появата на двойни и тройни връзки.

И така, в молекулата N 2 всеки азотен атом има три несдвоени атома

2p - електрони. Един облак от всеки азотен атом участва в образуването на s-връзка (p x - p x - припокриване).

Облаци p y – и p z – насочени перпендикулярно на линията на s-връзка, могат да се припокриват един с друг само от страничните страни на „гиричките“. Това припокриване води до образуването на две p-връзки, т.е. връзката в молекулата N 2 е тройна. Тези връзки обаче са енергийно неравностойни: степента на припокриване рх – рх – облаци е много по-висока от ру – ру и рz – рz. И наистина, енергията на тройна връзка е по-ниска от тройната енергия на една s-връзка и когато химична реакцияна първо място, p-връзките се разкъсват.

p-връзките се образуват, когато p y - p y, p z - p z, p y - d, p z - d, d - d - облаци се припокриват (Фигура 4).

Ориз. 4. Различни случаи на образуване на p-връзка

За да бъдат атомните ядра стабилни, протоните и неутроните трябва да се задържат вътре в ядрата от огромни сили, много пъти по-големи от силите на отблъскване на Кулон на протоните. Силите, които задържат нуклоните в ядрото, се наричат ядрен . Те са проява на най-интензивното от всички познати във физиката видове взаимодействия – т. нар. силно взаимодействие. Ядрените сили са около 100 пъти по-големи от електростатичните сили и са с десетки порядъци по-големи от силите на гравитационното взаимодействие на нуклоните. Важна характеристикаядрените сили е тяхната природа с малък обсег. Както показват експериментите на Ръдърфорд върху разсейването на α-частици, ядрените сили се проявяват забележимо само на разстояния от порядъка на размера на ядрото (10–12–10–13 cm). На големи разстояния действието на сравнително бавно намалява Кулонови сили.

Въз основа на експериментални данни може да се заключи, че протоните и неутроните в ядрото се държат по същия начин по отношение на силно взаимодействие, т.е. ядрените сили не зависят от наличието или отсъствието на електрически заряд на частиците.

Най-важна роля в ядрената физика играе понятието ядрена свързваща енергия .

Енергията на свързване на ядрото е равна на минималната енергия, която трябва да се изразходва за пълното разделяне на ядрото на отделни частици. От закона за запазване на енергията следва, че енергията на свързване е равна на енергията, която се отделя при образуването на ядро ​​от отделни частици.

Енергията на свързване на всяко ядро ​​може да се определи чрез точно измерване на неговата маса. В момента физиците са се научили да измерват масите на частиците - електрони, протони, неутрони, ядра и т.н. - с много висока точност. Тези измервания показват това масата на всяко ядро М азвинаги по-малко от сумата на масите на съставните му протони и неутрони:

Тази енергия се освобождава при образуването на ядрото под формата на излъчване на γ-кванти.

Като пример изчисляваме енергията на свързване на хелиевото ядро, например йонизационната енергия е 13,6 eV.

Таблиците показват специфична енергия на връзката , т.е. енергията на свързване на нуклон. За хелиево ядро ​​специфичната енергия на свързване е приблизително 7,1 MeV/нуклон. На фиг. 6.6.1 е показана графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число А. Както се вижда от графиката, специфичната енергия на свързване на нуклоните в различните атомни ядра не е еднаква. За леките ядра специфичната енергия на свързване първо нараства рязко от 1,1 MeV/нуклон за деутерий до 7,1 MeV/нуклон за хелий. След това, претърпявайки серия от скокове, специфичната енергия бавно нараства до максимална стойност от 8,7 MeV/нуклон за елементи с масово число А= 50–60 и след това намалява относително бавно за тежките елементи. Например за уран е 7,6 MeV/нуклон.

Намаляването на специфичната енергия на свързване при преход към тежки елементипоради увеличаване на енергията на кулоновото отблъскване на протоните. В тежките ядра връзката между нуклоните отслабва и самите ядра стават по-малко здрави.

Кога стабилни бели дробовеядра, където ролята на кулоновото взаимодействие е малка, броят на протоните и неутроните Зи нсе оказват еднакви (, , ). Под въздействието на ядрени сили се образуват двойки протон-неутрон. Но за тежките ядра, съдържащи голям брой протони, поради увеличаването на енергията на отблъскване на Кулон, са необходими допълнителни неутрони, за да се осигури стабилност. На фиг. 6.6.2 е диаграма, показваща броя на протоните и неутроните в стабилните ядра. За ядра след бисмут ( З> 83), поради големия брой протони, пълната стабилност обикновено е невъзможна.

От фиг. 6.6.1 се вижда, че най-стабилни от енергийна гледна точка са ядрата на елементите от средната част на Менделеевата система. Това означава, че има две възможности за получаване на положителен енергиен добив от ядрени трансформации:

1. делене на тежки ядра на по-леки;

2. сливане на леки ядра в по-тежки.

И при двата процеса се освобождава огромно количество енергия. В момента и двата процеса са извършени практически: реакции на делене и термоядрени реакции.

Нека направим някои оценки. Нека, например, ядрото на урана е разделено на две еднакви ядра с масови числа 119. Тези ядра, както се вижда от фиг. 6.6.1, специфичната енергия на свързване е около 8,5 MeV/нуклон. Специфичната енергия на свързване на урановото ядро ​​е 7,6 MeV/нуклон. Следователно, по време на деленето на ядрото на урана се освобождава енергия, равна на 0,9 MeV / нуклон или повече от 200 MeV на атом на уран.

Помислете сега за друг процес. Нека при определени условия две ядра на деутерий се слеят в едно ядро ​​на хелий. Специфичната енергия на свързване на ядрата на деутерия е 1,1 MeV/нуклон, а специфичната енергия на свързване на ядрото на хелий е 7,1 MeV/нуклон. Следователно, по време на сливането на едно хелиево ядро ​​от две деутериеви ядра ще се освободи енергия, равна на 6 MeV/нуклон или 24 MeV на хелиев атом.

Трябва да се отбележи, че синтезът на леки ядра, в сравнение с деленето на тежки ядра, е придружен от приблизително 6 пъти повече освобождаване на енергия на нуклон.

По-подробно (2.3) се записва, както следва:

се нарича дефект на ядрената маса. Масата на всички нуклони намалява с тази сума, когато от тях се образува ядро.

Процесът на пълно разцепване на ядрото на съставните му нуклони е по-скоро хипотетичен. В действителност по време на ядрено делене и други ядрени реакции ядрото се разпада на два, рядко на повече фрагмента. Познаването на енергията на свързване на ядрата позволява да се изчисли енергийният баланс не само за доста рядко срещания процес на пълно делене, но и за всякакви процеси на разпадане и взаимни трансформации на ядрата. Например енергия епразделяне на протони, т.е. минималната енергия, необходима за избиване на протон от ядрото Z X A, е равна на разликата в енергиите на свързване на ядрата Z X A и Z-1 X A-1:

За да се избие α-частица от ядрото, е необходима енергия, равна на:

Тази версия на формулата е по-удобна, тъй като в повечето експерименти се измерва масата на атома, а не масата на ядрото. Следователно таблиците обикновено дават стойностите на масите на неутралните атоми.

Енергията на свързване на всяко ядро ​​е положителна; трябва да е значителна част от енергията му за почивка. Точните стойности на масите на атомните ядра се определят с помощта на специални инструменти, наречени масспектрометри.

Енергия на свързване на масово число НОНаречен специфична енергия на свързваненуклони в ядрото:

E удари \u003d ΔE sv / A \u003d Δmc 2 / A.

Стойност E ритъмпоказва колко енергия средно трябва да се изразходва, за да се отстрани един нуклон от ядрото, без да му се придаде кинетична енергия. Стойност E ритъм ud има собствено значение за всяко ядро. Колкото повече E ритъм, толкова по-стабилно е ядрото. Фигура 2.2 показва зависимостта E ритъмот масовото число А.

Това е ясно E ритъмрасте от 0 MeVпри НО= 1 (протон) до 8,7 MeVпри А=50-60 (24 Cr - 30 Zn) и постепенно намалява до 7,5 MeVза последния естествено срещащ се елемент (92 U). За сравнение, енергията на свързване на валентните електрони в един атом е около 10 eV, което е милион пъти по-малко. Фигура 2.2 показва, че ядрата с масови числа в диапазона от 50 до 60 имат най-висока специфична енергия на свързване.С намаляване или увеличаване Аспецифичната енергия на свързване намалява с различна интензивност, тъй като намаляването на специфичната енергия става чрез различни механизми.

Основните причини за разликата в енергията на свързване на различните ядра са следните. Всички нуклони, които съставляват ядрото, могат условно да бъдат разделени на две групи: повърхностни и вътрешни.

Вътрешните нуклони са заобиколени от съседни нуклони от всички страни, докато повърхностните нуклони имат съседи само с вътре. Следователно вътрешните нуклони взаимодействат с други нуклони по-силно от повърхностните. Но процентът на вътрешните нуклони е особено малък за леките ядра (за най-леките ядра всички нуклони могат да се считат за повърхностни нуклони) и постепенно се увеличава с увеличаване на теглото. Следователно, енергията на свързване също се увеличава с увеличаването на броя на нуклоните в ядрото. Този растеж обаче не може да продължи много дълго време, тъй като започва от някакъв достатъчно голям брой нуклони ( А= 50-60), броят на протоните става толкова голям (в почти всяко ядро ​​протоните съставляват най-малко 40% от общия брой нуклони), че тяхното взаимно електрическо отблъскване става забележимо дори на фона на силно ядрено привличане. Това отблъскване води до намаляване на енергията на свързване на тежките ядра.

Разликата в енергията на свързване на различните ядра може да се използва за освобождаване вътрешноядрена енергия. Енергийна ефективност:

  • делене на тежки ядра на по-леки;
  • сливането на леките ядра едно с друго в по-тежки.

И в първия, и във втория случай се получават по-силни (по-стабилни) ядра от първоначалните. И двата процеса освобождават огромни количества енергия; Тези процеси в момента се изпълняват на практика: реакции на ядрено деленеи реакции на ядрен синтез(глава 4).

Проблемът с термоядрения синтез е наполовина решен: експлозивен синтез е овладян.

Означава уд > е равно на 8 MeV, и за повечето ядра дудари ≈ уд > = 8 MeV. Следователно, енергията на свързване на атомните ядра в първото приближение може да бъде изразена чрез масовото число чрез отношението:

ΔE St ≈ ∙A ≈ 8 MeV.

Тази връзка ни позволява да направим две заключения относно свойствата на ядрените сили, които свързват нуклоните в ядрото.

От пропорционалност Δ E Stи Аследва свойството насищане на ядрените сили, т.е. способността на нуклона да взаимодейства не с всички околни нуклони, а само с ограничен брой от тях. Наистина, ако всеки нуклон на ядрото взаимодейства с всички останали ( А- 1) нуклони, тогава общата енергия на свързване ще бъде пропорционална на А∙(А - 1) ≈ A2,не А.

Енергията на свързване е мярка за силата на ядрото. Енергията на свързване на 2 He 4 , 6 C 12 , 8 O 16 и други четни-четни ядра е особено висока.

Най-стабилни са ядрата с напълно запълнени обвивки - магически ядра, в които броят на протоните Зили неутрони не равно на едно от магическите числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 26.

Ядра, в които магията са и З, и н, се наричат ​​двойно магически. Известни са само пет двойно магически ядра: 2 He 4 , 8 O 16 , 20 Ca 40 , ???, 82 Pb 208 .

По-специално, специалната стабилност на ядрото на хелия се проявява във факта, че това е единствената частица, излъчвана от тежки ядра по време на радиоактивен разпад (тя се нарича α-частица).

От голяма стойност на средната енергия на свързване уд > ≈ 8 MeVследва изключително висока интензивност на ядрено взаимодействие. Например, средната енергия на свързване на нуклон в ядро ​​2 He 4 ( уд > ≈ 7 MeV) е много по-голямо от кулоновото отблъскване на два протона от това ядро. Това можеше да се очаква: в противен случай протоните в ядрото не биха могли да бъдат свързани.

Нуклоните в ядрата са в състояния, които се различават значително от техните свободни състояния. С изключение на обикновеното водородно ядро, във всички ядраима поне два нуклона, между които има особен силна ядрена сила – привличане, което осигурява стабилността на ядрата въпреки отблъскването на еднакво заредени протони.

· Енергията на свързване на нуклонав ядрото се нарича физическо количество, равна на работата, която трябва да се извърши, за да се отстрани нуклонът от ядрото, без да му се придаде кинетична енергия.

· Енергия на свързване на ядрото определя се от обема на тази работа,да се направи,да раздели ядрото на съставните му нуклони, без да им предава кинетична енергия.

От закона за запазване на енергията следва, че по време на образуването на ядрото трябва да се освободи такава енергия, която трябва да се изразходва, когато ядрото се раздели на съставните му нуклони. Ядрената енергия на свързване е разликата между енергията на всички свободни нуклони, които изграждат ядрото, и тяхната енергия в ядрото.

Когато се образува ядро, неговата маса намалява: масата на ядрото е по-малка от сумата от масите на съставните му нуклони. Намаляването на масата на ядрото по време на образуването му се обяснява с освобождаването на енергия на свързване. Ако У sv е количеството енергия, освободено по време на образуването на ядрото, след това съответната маса

(9.2.1)

Наречен масов дефект и характеризира намаляването на общата маса по време на образуването на ядрото от съставните му нуклони.

Ако ядрото има маса Мотрова, образувана от Зпротони с маса m pи от ( А – З) неутрони с маса m n, тогава:

. (9.2.2)

Вместо масата на ядрото Мстойност на отрова ∆ мможе да се изрази чрез атомна маса Мв:

, (9.2.3)

където мзе масата на водородния атом. При практическо изчисление ∆ ммасите на всички частици и атоми се изразяват в атомни единици за маса (a.u.m.). Една единица за атомна маса съответства на единица за атомна енергия (a.e.e.): 1 a.u.e. = 931,5016 MeV.

Дефектът на масата служи като мярка за ядрената свързваща енергия:

. (9.2.4)

Специфичната енергия на свързване на ядрото ω Св се нарича енергия на свързване,на нуклон:

. (9.2.5)

Стойността на ω St е средно 8 MeV/нуклон. На фиг. 9.2 показва зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число А, което характеризира различната сила на връзката на нуклоните в ядрата на различни химически елементи. Ядра от елементи в средната част периодична система(), т.е. от до , най-издръжливи.

В тези ядра ω е близо до 8,7 MeV/нуклон. С увеличаването на броя на нуклоните в ядрото специфичната енергия на свързване намалява. Ядрата на атомите на химичните елементи, разположени в края на периодичната система (например ядрото на урана), имат ω St ≈ 7,6 MeV / нуклон. Това обяснява възможността за освобождаване на енергия при делене на тежки ядра. В областта на малките масови числа има остри "пикове" на специфичната енергия на свързване. Максимумите са характерни за ядра с четен брой протони и неутрони ( , , ), минимумите са характерни за ядра с нечетен брой протони и неутрони ( , , ).

Ако ядрото има възможно най-ниската енергия, то е локализирано в основно енергийно състояние . Ако ядрото има енергия, то се намира в възбудено енергийно състояние . Случаят съответства на разделянето на ядрото на съставните му нуклони. За разлика от енергийните нива на атома, които са разделени от единици електронволтове, енергийните нива на ядрото са разделени едно от друго с мегаелектронволт (MeV). Това обяснява произхода и свойствата на гама лъчението.

Данните за енергията на свързване на ядрата и използването на капковия модел на ядрото позволиха да се установят някои закономерности в структурата на атомните ядра.

Критерият за стабилност на атомните ядрае съотношението между броя на протоните и неутроните в стабилно ядроза изобарни данни (). Условието за минимална ядрена енергия води до следната връзка между Зустата и НО:

. (9.2.6)

Вземете цяло число Зуста най-близка до тази, получена по тази формула.

За малки и средни стойности НОброят на неутроните и протоните в стабилните ядра е приблизително еднакъв: З ≈ НО – З.

С растеж Зкулоновите отблъскващи сили на протоните нарастват пропорционално З·( З – 1) ~ З 2 (двойно взаимодействие на протони), и за да се компенсира това отблъскване чрез ядрено привличане, броят на неутроните трябва да нараства по-бързо от броя на протоните.

За да видите демонстрации, щракнете върху съответната хипервръзка:

Теми на USE кодификатора: енергия на свързване на нуклони в ядрото, ядрени сили.

Атомното ядро, според нуклонния модел, се състои от нуклони - протони и неутрони. Но какви сили задържат нуклоните вътре в ядрото?

Какво, например, държи два протона и два неутрона заедно в ядрото на хелиев атом? В крайна сметка протоните, отблъснати един от друг от електрически сили, трябва да са се разпръснали различни страни! Може би това гравитационно привличане на нуклоните един към друг не позволява на ядрото да се разпадне?

Да проверим. Нека два протона са на известно разстояние един от друг. Нека намерим отношението на силата на тяхното електрическо отблъскване към силата на тяхното гравитационно привличане:

Заряд на протона C, маса на протон kg, така че имаме:

Какво чудовищно превъзходство на електрическата мощност! Гравитационното привличане на протоните не само не осигурява стабилността на ядрото - то като цяло не се забелязва на фона на тяхното взаимно електрическо отблъскване.

Следователно има други сили на привличане, които държат нуклоните заедно вътре в ядрото и надвишават по величина електрическото отблъскване на протоните. Това са така наречените ядрени сили.

Ядрени сили.

Досега са ни известни два вида взаимодействия в природата – гравитационни и електромагнитни. Ядрените сили служат като проява на нов, трети вид взаимодействие - силното взаимодействие. Няма да навлизаме в механизма на възникване на ядрените сили, а само да изброим най-важните им свойства.

1. Ядрените сили действат между всеки два нуклона: протон и протон, протон и неутрон, неутрон и неутрон.
2. Ядрените сили на привличане на протоните вътре в ядрото са приблизително 100 пъти по-големи от електрическото отблъскване на протоните. В природата не се наблюдават по-мощни сили от ядрените.
3. Ядрените сили на привличане са с малък обсег: радиусът им на действие е около м. Това е размерът на ядрото - именно на това разстояние един от друг се задържат нуклоните от ядрените сили. С увеличаване на разстоянието ядрените сили намаляват много бързо; ако разстоянието между нуклоните стане равно на m, ядрените сили почти напълно ще изчезнат.

При разстояния, по-малки от m, ядрените сили стават сили на отблъскване.

Силното взаимодействие е едно от фундаменталните - не може да се обясни на базата на някакви други видове взаимодействия. Оказа се, че способността за силни взаимодействия е присъща не само на протоните и неутроните, но и на някои други елементарни частици; всички такива частици се наричат адрони. Електроните и фотоните не принадлежат към адроните - те не участват в силни взаимодействия.

Атомна единица за маса.

Масите на атомите и елементарните частици са изключително малки и е неудобно да се измерват в килограми. Затова в атомната и ядрената физика често се използва много по-малка единица – т.н
наречената атомна единица за маса (съкратено a.e.m.).

По дефиниция единица атомна маса е 1/12 от масата на въглероден атом. Ето неговата стойност с точност до пет знака след десетичната запетая в стандартна нотация:

A.e.m.kg

(По-късно ще имаме нужда от такава точност, за да изчислим едно много важно количество, което постоянно се използва при изчисленията на енергията на ядрата и ядрените реакции.)

Оказва се, че 1 а. e.m., изразено в грамове, е числено равно на реципрочната стойност на константата на мол на Авогадро:

Защо е така? Спомнете си, че числото на Авогадро е броят на атомите в 12g въглерод. В допълнение, масата на въглеродния атом е 12 amu. д. м. От тук имаме:

следователно а. e. m. = r, което се изискваше.

Както си спомняте, всяко тяло с маса m има енергия на покой E, която се изразява с формулата на Айнщайн:

. (1)

Разберете колко енергия се съдържа в една единица атомна маса. Ще трябва да извършим изчисления с достатъчно висока точност, затова вземаме скоростта на светлината с пет знака след десетичната запетая:

Така че за маса a. д. м. имаме съответната енергия на покой:

J. (2)

В случай на малки частици е неудобно да се използват джаули - по същата причина като килограмите. Има много по-малка единица енергия - електрон-волт(съкратено eV).

По дефиниция 1 eV е енергията, придобита от електрон при преминаване през ускоряваща потенциална разлика от 1 волт:

EV ClV J. (3)

(сещате се, че в задачите е достатъчно да се използва стойността на елементарния заряд под формата на C, но тук се нуждаем от по-точни изчисления).

И сега най-накрая сме готови да изчислим много важната стойност, обещана по-горе - енергийният еквивалент на единица атомна маса, изразен в MeV. От (2) и (3) получаваме:

EV . (четири)

Така че нека си припомним: енергия на покой на един a. е равна на 931,5 MeV. Ще се сблъскате с този факт много пъти, когато решавате задачи.

В това, което следва, ще ни трябват масите и енергията на покой на протона, неутрона и електрона. Представяме ги с точност, достатъчна за решаване на задачи.

A. e. m., MeV;
а. e.m., MeV;
а. е. м., MeV.

Масов дефект и енергия на свързване.

Свикнали сме с факта, че масата на тялото е равна на сумата от масите на частите, от които се състои. В ядрената физика тази проста идея трябва да бъде отучена.

Нека започнем с пример и вземем добре познатото ни ядро ​​на частиците. В таблицата (например в проблемната книга на Римкевич) има стойност за масата на неутрален атом на хелий: тя е 4,00260 AU. д. м. За да се намери масата M на ядрото на хелия, е необходимо да се извади масата на два електрона в атома от масата на неутрален атом:

В същото време общата маса на два протона и два неутрона, които съставляват ядрото на хелия, е:

Виждаме, че сумата от масите на нуклоните, които изграждат ядрото, надвишава масата на ядрото с

Стойността се нарича масов дефект.По силата на формулата на Айнщайн (1), дефектът на масата съответства на промяна в енергията:

Величината също се обозначава и се нарича енергия на свързване на ядрото. Така, енергията на свързване на -частицата е приблизително 28 MeV.

Какво е физическото значение на енергията на свързване (и следователно на дефекта на масата)?

За да се раздели ядрото на съставните му протони и неутрони, свърши работатасрещу действието на ядрените сили. Тази работа е не по-малка от определена стойност; минималната работа по разрушаването на ядрото се извършва в случай, когато освободените протони и неутрони Почивка.

Е, ако се работи върху системата, тогава енергията на системата се увеличаваот количеството извършена работа. Следователно общата енергия на покой на нуклоните, които съставляват ядрото и взети поотделно, се оказва Повече ▼енергията на покой на ядрото от .

Следователно общата маса на нуклоните, които изграждат ядрото, също ще бъде по-голяма от масата на самото ядро. Ето защо възниква масов дефект.

В нашия пример с -частицата общата енергия на покой на два протона и два неутрона е с 28 MeV по-голяма от енергията на покой на хелиевото ядро. Това означава, че за да се раздели ядрото на съставните му нуклони, трябва да се извърши работа, равна на поне 28 MeV. Нарекохме това количество енергия на свързване на ядрото.

Така, енергия на свързване на ядрото е минималната работа, която трябва да се извърши, за да се раздели ядрото на съставните му нуклони.

Енергията на свързване на ядрото е разликата между енергиите на покой на нуклоните на ядрото, взети поотделно, и енергията на покой на самото ядро. Ако масовото ядро ​​се състои от протони и неутрони, тогава за енергията на свързване имаме:

Количеството, както вече знаем, се нарича масов дефект.

Специфична енергия на свързване.

Важна характеристика на якостта на сърцевината е нейната специфична енергия на свързване, равно на отношениетоенергия на свързване към броя на нуклоните:

Специфичната енергия на свързване е енергията на свързване на нуклон и има смисъл средна работа, което трябва да се направи, за да се отстрани нуклонът от ядрото.

На фиг. 1 показва зависимостта на специфичната енергия на свързване на естествени (т.е. срещащи се в природата 1 ) изотопи на химични елементи от масовото число А.

Ориз. 1. Специфична енергия на свързване на естествени изотопи

Елементи с масови числа 210–231, 233, 236, 237 не се срещат в природата. Това обяснява пропуските в края на графиката.

За леките елементи специфичната енергия на свързване се увеличава с увеличаване, достигайки максимална стойност от 8,8 MeV / нуклон в близост до желязото (т.е. в диапазона от около 50 до 65). След това постепенно намалява до стойност от 7,6 MeV/нуклон за урана.

Този характер на зависимостта на специфичната енергия на свързване от броя на нуклоните се обяснява с комбинираното действие на два противоположно насочени фактора.

Първият фактор е повърхностни ефекти. Ако в ядрото има малко нуклони, значи значителна част от тях е върху повърхностядки. Тези повърхностни нуклони са заобиколени от по-малък брой съседи от вътрешните нуклони и съответно взаимодействат с по-малък брой съседни нуклони. С увеличаване делът на вътрешните нуклони се увеличава, а делът на повърхностните нуклони намалява; следователно работата, която трябва да се извърши, за да се отстрани един нуклон от ядрото, трябва средно да нараства с увеличаване на .

Въпреки това, с увеличаване на броя на нуклоните, започва да се появява вторият фактор - Кулоново отблъскване на протони. В края на краищата, колкото повече протони има в ядрото, толкова по-големи са електрическите отблъскващи сили, които са склонни да разрушат ядрото; с други думи, толкова по-силно всеки протон се отблъсква от другите протони. Следователно, работата, необходима за отстраняване на нуклон от ядрото, трябва средно да намалява с увеличаване на .

Докато има малко нуклони, първият фактор доминира над втория и следователно специфичната енергия на свързване се увеличава.

В близост до желязото ефектите на двата фактора се сравняват един с друг, в резултат на което специфичната енергия на свързване достига максимум. Това е областта на най-стабилните и издръжливи ядра.

Тогава вторият фактор започва да надделява и под въздействието на непрекъснато нарастващите сили на кулоновото отблъскване, разрушавайки ядрото, специфичната енергия на свързване намалява.

Насищане на ядрени сили.

Фактът, че вторият фактор доминира в тежките ядра, показва това интересна функцияядрени сили: те имат свойството на насищане. Това означава, че всеки нуклон в голямо ядро ​​е свързан чрез ядрени сили не с всички останали нуклони, а само с малък брой съседи, като този брой не зависи от размера на ядрото.

Наистина, ако нямаше такова насищане, специфичната енергия на свързване щеше да продължи да нараства с нарастване - в края на краищата, тогава всеки нуклон би бил държан заедно от ядрени сили с нарастващ брой нуклони на ядрото, така че първият фактор неизменно би доминират над втория. Отблъскващите сили на Кулон не биха имали никакъв шанс да обърнат прилива в своя полза!

Дял: