Energija vezivanja atomskog jezgra: formula, značenje i definicija. Energija vezivanja jezgara

Energija veze

Energija veze je mjera snage bilo kojeg hemijska veza. Da bi se prekinula hemijska veza, potrebno je potrošiti energiju jednaku po veličini energiji koja je oslobođena tokom formiranja hemijske veze.

Količina energije koja se oslobađa prilikom formiranja molekula iz atoma, zvao energija formiranja veze ili samo energija vezivanja.

Energija vezivanja je izražena u kJ/mol, na primjer:

H + H ® H 2 + 435 kJ.

Naravno, ista količina energije mora biti utrošena da se razbiju hemijske veze u 1 molu vodonika. Stoga, što je energija veze veća, to je veza jača. Na primjer, E CB (H 2) = 435 kJ / mol, a E CB (N 2) = 942 kJ / mol. I zaista, veza u molekulu dušika (kao što je ranije prikazano, trostruka) je mnogo jača od veze u molekuli vodika.

Raskid veze se može izvesti homolitički (sa stvaranjem neutralnih atoma) i heterolitički (sa stvaranjem iona), a energija cijepanja može se razlikovati.

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


Za molekule istog tipa, dužina hemijske veze takođe može poslužiti kao karakteristika jačine veze: na kraju krajeva, što je dužina veze kraća, to je veći stepen preklapanja oblaka elektrona.

Dakle, dužine veze ℓ (HF) = 0,092 nm i ℓ (HJ) = 0,162 nm ukazuju na veću snagu veze u molekulu fluorovodonika, što se i potvrđuje u praksi.

Treba napomenuti da eksperimentalno određene dužine veza karakterišu samo prosječnu udaljenost između atoma, budući da atomi u molekulima i kristalima osciliraju oko ravnotežnog položaja.

Preklapanje elektronskih oblaka, koje dovodi do stvaranja hemijske veze, moguće je samo ako imaju određenu međusobnu orijentaciju. Područje preklapanja se također nalazi u određenom smjeru prema atomima koji djeluju. Zato to kažu kovalentna hemijska veza ima usmerenost. U ovom slučaju mogu postojati 3 vrste veza, koje se nazivaju s- (sigma), p- (pi) i d- (delta) vezama.

U gornjim slučajevima formiranja molekula H 2 i Cl 2 dolazi do preklapanja elektronskih oblaka duž prave linije koja povezuje centre atoma. Kovalentna veza nastala kao rezultat preklapanja elektronskih oblaka duž linije koja povezuje centre atoma naziva se s-vezom. s-veza se formira (slika 3) kada se s - s - oblaci (na primjer, H 2), p x - p x - oblaci (Cl 2), s - p x (HF) preklapaju.


Rice. 3. s-veze u H 2 (a), Cl 2 (b), HF (c) molekulima

Tokom interakcije oblaka p-elektrona orijentisanih okomito na osu koja povezuje centre atoma (p y - i p z - oblaci), formiraju se dva preklapanja regiona, smeštena sa obe strane ose. Ova pozicija odgovara formiranju p-veze.

p-vezaje veza za koju vezni elektronski oblak ima ravan simetrije koja prolazi kroz atomska jezgra.

p-veze ne postoje same: nastaju u molekulima koji već imaju s-veze i dovode do pojave dvostrukih i trostrukih veza.

Dakle, u molekulu N 2 svaki atom dušika ima tri nesparena

2p - elektroni. Jedan oblak iz svakog atoma dušika je uključen u formiranje s-veze (p x - p x - preklapanje).

Oblaci p y – i p z – usmjereni okomito na liniju s-veze, mogu se preklapati jedan s drugim samo bočnim stranama “bučica”. Ovo preklapanje dovodi do stvaranja dvije p-veze, tj. veza u molekulu N 2 je trostruka. Međutim, ove veze su energetski nejednake: stepen preklapanja rh – rh – oblaka je mnogo veći od ru – ru i rz – rz. I zaista, energija trostruke veze je manja od trostruke energije jedne s - veze, a kada hemijske reakcije pre svega, p-veze su prekinute.

p-veze nastaju kada se p y - p y, p z - p z, p y - d, p z - d, d - d - oblaci preklapaju (slika 4).

Rice. 4. Različiti slučajevi stvaranja p-veze

Da bi atomska jezgra bila stabilna, protone i neutrone moraju držati unutar jezgara ogromne sile, mnogo puta veće od Kulonovih odbojnih sila protona. Zovu se sile koje drže nukleone u jezgru nuklearna . One su manifestacija najintenzivnije od svih vrsta interakcija poznatih u fizici - takozvane jake interakcije. Nuklearne sile su oko 100 puta veće od elektrostatičkih sila i desetine redova veličine veće su od sila gravitacijske interakcije nukleona. Važna karakteristika nuklearne sile je njihova priroda kratkog dometa. Kao što su pokazali Rutherfordovi eksperimenti o rasejanju α-čestica, nuklearne sile se primetno manifestuju samo na udaljenostima reda veličine jezgra (10–12–10–13 cm). Na velikim udaljenostima djelovanje se relativno sporo smanjuje Kulonove sile.

Na osnovu eksperimentalnih podataka može se zaključiti da se protoni i neutroni u jezgri ponašaju na isti način u odnosu na jaku interakciju, odnosno da nuklearne sile ne ovise o prisutnosti ili odsustvu električnog naboja na česticama.

Najvažniju ulogu u nuklearnoj fizici ima koncept nuklearna energija vezivanja .

Energija vezivanja jezgra jednaka je minimalnoj energiji koja se mora utrošiti za potpuno cijepanje jezgra na pojedinačne čestice. Iz zakona održanja energije proizlazi da je energija veze jednaka energiji koja se oslobađa prilikom formiranja jezgra iz pojedinih čestica.

Energija vezivanja bilo kojeg jezgra može se odrediti preciznim mjerenjem njegove mase. U ovom trenutku, fizičari su naučili da mjere mase čestica - elektrona, protona, neutrona, jezgara itd. - sa vrlo visokom preciznošću. Ova mjerenja to pokazuju masa bilo kog jezgra M Iuvijek manji od zbira masa njegovih sastavnih protona i neutrona:

Ova energija se oslobađa tokom formiranja jezgra u obliku zračenja γ-kvanta.

Kao primjer, izračunavamo energiju vezivanja jezgra helijuma, na primjer, energija jonizacije je 13,6 eV.

Tabele pokazuju specifična energija veze , tj. energija vezivanja po nukleonu. Za jezgro helijuma, specifična energija vezivanja je približno 7,1 MeV/nukleon. Na sl. 6.6.1 prikazuje grafik zavisnosti specifične energije vezivanja od masenog broja A. Kao što se može vidjeti iz grafikona, specifična energija vezivanja nukleona u različitim atomskim jezgrama nije ista. Za laka jezgra, specifična energija vezivanja prvo naglo raste sa 1,1 MeV/nukleon za deuterijum do 7,1 MeV/nukleon za helijum. Zatim, nakon niza skokova, specifična energija polako raste do maksimalne vrijednosti od 8,7 MeV/nukleon za elemente s masenim brojem A= 50–60, a zatim opada relativno sporo za teške elemente. Na primjer, za uranijum je 7,6 MeV/nukleon.

Smanjenje specifične energije vezivanja pri prelasku na teški elementi zbog povećanja energije Kulonove odbijanja protona. U teškim jezgrima, veza između nukleona slabi, a sama jezgra postaju manje jaka.

Kada stabilna pluća jezgra, gdje je uloga Kulonove interakcije mala, broj protona i neutrona Z I N ispostavilo se da je isti (, , ). Pod utjecajem nuklearnih sila, takoreći, formiraju se parovi proton-neutron. Ali za teške jezgre koje sadrže veliki broj protona, zbog povećanja Kulonove energije odbijanja, potrebni su dodatni neutroni da bi se osigurala stabilnost. Na sl. 6.6.2 je dijagram koji prikazuje broj protona i neutrona u stabilnim jezgrima. Za jezgra nakon bizmuta ( Z> 83), zbog velikog broja protona, potpuna stabilnost je generalno nemoguća.

Od sl. 6.6.1 može se vidjeti da su sa energetskog stanovišta najstabilnija jezgra elemenata srednjeg dijela Mendeljejevskog sistema. To znači da postoje dvije mogućnosti za postizanje pozitivnog energetskog prinosa iz nuklearnih transformacija:

1. fisija teških jezgara u lakša;

2. fuzija lakih jezgara u teža.

U oba ova procesa oslobađa se ogromna količina energije. Trenutno se praktično izvode oba procesa: reakcije fisije i termonuklearne reakcije.

Hajde da napravimo neke procjene. Neka je, na primjer, jezgro uranijuma podijeljeno na dva identična jezgra sa masenim brojevima 119. Ova jezgra, kao što se može vidjeti sa Sl. 6.6.1, specifična energija vezivanja je oko 8,5 MeV/nukleon. Specifična energija vezivanja jezgra uranijuma je 7,6 MeV/nukleon. Shodno tome, tokom fisije jezgra uranijuma, oslobađa se energija jednaka 0,9 MeV/nukleon ili više od 200 MeV po atomu uranijuma.

Razmotrite sada još jedan proces. Neka se, pod određenim uslovima, dva jezgra deuterija spoje u jedno jezgro helijuma. Specifična energija vezivanja jezgara deuterija je 1,1 MeV/nukleon, a specifična energija vezivanja jezgra helijuma je 7,1 MeV/nukleon. Shodno tome, tokom fuzije jednog jezgra helijuma iz dva jezgra deuterija, oslobodiće se energija jednaka 6 MeV/nukleon ili 24 MeV po atomu helijuma.

Treba napomenuti da je fuzija lakih jezgara, u poređenju sa fisijom teških jezgara, praćena približno 6 puta većim oslobađanjem energije po nukleonu.

Detaljnije (2.3) piše se kako slijedi:

naziva se defekt nuklearne mase. Masa svih nukleona se smanjuje za ovu količinu kada se od njih formira jezgro.

Proces potpunog cijepanja jezgra na njegove sastavne nukleone je prilično hipotetički. U stvarnosti, tokom nuklearne fisije i drugih nuklearnih reakcija, jezgro se raspada na dva, rijetko više fragmenata. Poznavanje energije vezivanja jezgara omogućava izračunavanje energetskog bilansa ne samo za prilično rijedak proces potpune fisije, već i za sve procese raspada i međusobne transformacije jezgara. Na primjer, energija Ep odvajanje protona, tj. minimalna energija potrebna za izbacivanje protona iz jezgra Z X A jednaka je razlici u energijama vezivanja jezgara Z X A i Z-1 X A-1:

Za izbacivanje α-čestice iz jezgra potrebna je energija jednaka:

Ova verzija formule je prikladnija, jer se u većini eksperimenata mjeri masa atoma, a ne masa jezgra. Stoga tabele obično daju vrijednosti masa neutralnih atoma.

Energija vezivanja bilo kog jezgra je pozitivna; mora biti značajan dio njegove energije odmora. Točne vrijednosti masa atomskih jezgri određuju se pomoću posebnih instrumenata tzv maseni spektrometri.

Energija veze po masenom broju A pozvao specifična energija vezivanja nukleoni u jezgru:

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

Vrijednost E beat pokazuje koliko energije, u prosjeku, treba utrošiti da se jedan nukleon ukloni iz jezgra, a da mu se ne prenese kinetička energija. Vrijednost E beat ud ima svoje značenje za svako jezgro. Više E beat, što je jezgro stabilnije. Slika 2.2 prikazuje zavisnost E beat od masenog broja A.

To je jasno E beat raste od 0 MeV at A= 1 (proton) do 8.7 MeV at A=50-60 (24 Cr - 30 Zn) i postepeno opada na 7,5 MeV za posljednji element koji se pojavljuje u prirodi (92 U). Poređenja radi, energija veze valentnih elektrona u atomu je oko 10 eV, koji je milion puta manji. Slika 2.2 pokazuje da jezgra sa masenim brojevima u rasponu od 50 do 60 imaju najveću specifičnu energiju vezivanja. Sa smanjenjem ili povećanjem A specifična energija vezivanja opada različitim intenzitetom, jer se smanjenje specifične energije dešava različitim mehanizmima.

Glavni razlozi za razliku u energiji vezivanja različitih jezgara su sljedeći. Svi nukleoni koji čine jezgro mogu se uvjetno podijeliti u dvije grupe: površinske i unutrašnje.

Unutrašnji nukleoni su okruženi susjednim nukleonima sa svih strana, dok površinski nukleoni imaju susjede samo sa unutra. Stoga unutrašnji nukleoni jače komuniciraju s drugim nukleonima nego površinski. Ali procenat unutrašnjih nukleona je posebno mali za laka jezgra (za najlakša jezgra, svi nukleoni se mogu smatrati površinskim nukleonima) i postepeno raste sa povećanjem težine. Stoga se i energija vezivanja povećava sa povećanjem broja nukleona u jezgru. Međutim, ovaj rast se ne može nastaviti jako dugo, jer počevši od nekog dovoljno velikog broja nukleona ( A= 50-60), broj protona postaje toliko velik (u gotovo svakom jezgru protoni čine najmanje 40% ukupnog broja nukleona), da njihovo međusobno električno odbijanje postaje primjetno čak i na pozadini jakog nuklearnog privlačenja. Ovo odbijanje dovodi do smanjenja energije vezivanja teških jezgara.

Razlika u energiji vezivanja različitih jezgara može se iskoristiti za oslobađanje intranuklearna energija. Energetski efikasan:

  • fisija teških jezgara u lakša;
  • fuzija lakih jezgara jedna sa drugom u teža.

I u prvom i u drugom slučaju dobijaju se jače (stabilnije) jezgre od originalnih. Oba procesa oslobađaju ogromne količine energije; Ovi procesi se trenutno sprovode praktično: reakcije nuklearne fisije I reakcije nuklearne fuzije(poglavlje 4).

Problem termonuklearne fuzije je napola rešen: savladana je eksplozivna fuzija.

Prosječna vrijednost oud > jednako 8 MeV, i za većinu jezgara E otkucaja ≈ oud > = 8 MeV. Stoga se energija veze atomskih jezgara u prvoj aproksimaciji može izraziti u terminima masenog broja relacijom:

ΔE St ≈ ∙A ≈ 8 MeV.

Ovaj odnos nam omogućava da izvučemo dva zaključka o svojstvima nuklearnih sila koje vezuju nukleone u jezgri.

Iz proporcionalnosti Δ E St I A slijedi svojstvo zasićenja nuklearnih sila, tj. sposobnost nukleona da komunicira ne sa svim okolnim nukleonima, već samo sa ograničenim brojem njih. Zaista, ako bi svaki nukleon jezgra bio u interakciji sa svim ostalim ( A- 1) nukleoni, tada bi ukupna energija vezivanja bila proporcionalna A∙(A - 1) ≈ A2,Ne A.

Energija vezivanja je mjera snage jezgra. Energija vezivanja 2 He 4 , 6 C 12 , 8 O 16 i drugih parnih jezgara je posebno visoka.

Najstabilnije su jezgre sa potpuno ispunjenim ljuskama - magične jezgre, u kojima se broj protona Z ili neutrona N je jednako jednom od magičnih brojeva: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 26.

Nukleusi u kojima su magije i Z, And N, nazivaju se dvostrukom magijom. Poznato je samo pet dvostruko magičnih jezgara: 2 He 4 , 8 O 16 , 20 Ca 40 , ???, 82 Pb 208 .

Posebno se posebna stabilnost jezgra helijuma očituje u činjenici da je to jedina čestica koju emituju teška jezgra tokom radioaktivnog raspada (naziva se α-čestica).

Od velike vrijednosti prosječne energije vezivanja oud > ≈ 8 MeV slijedi izuzetno visok intenzitet nuklearne interakcije. Na primjer, prosječna energija vezivanja nukleona u jezgru 2 He 4 ( oud > ≈ 7 MeV) je mnogo veća od Kulonove odbijanja dva protona ovog jezgra. Ovo je bilo za očekivati: inače, protoni u jezgru ne bi mogli biti vezani.

Nukleoni u jezgrima nalaze se u stanjima koja se značajno razlikuju od njihovih slobodnih stanja. Sa izuzetkom običnog jezgra vodonika, u svim jezgrama postoje najmanje dva nukleona između kojih postoji poseban nuklearna jaka sila – privlačenje, koje osigurava stabilnost jezgara uprkos odbijanju slično naelektrisanih protona.

· Energija vezivanja nukleona u jezgru se zove fizička količina, jednak radu koji se mora obaviti da bi se nukleon uklonio iz jezgra, a da mu se ne prenese kinetička energija.

· Energija vezivanja jezgra određena količinom tog posla,da se uradi,podijeliti jezgro na njegove sastavne nukleone bez davanja kinetičke energije na njih.

Iz zakona održanja energije slijedi da se prilikom formiranja jezgra mora osloboditi takva energija koja se mora potrošiti kada se jezgro podijeli na nukleone koji su mu sastavni. Energija nuklearnog vezivanja je razlika između energije svih slobodnih nukleona koji čine jezgro i njihove energije u jezgri.

Kada se jezgro formira, njegova masa se smanjuje: masa jezgra je manja od zbira masa njegovih nukleona. Smanjenje mase jezgra tokom njegovog formiranja objašnjava se oslobađanjem energije vezivanja. Ako W sv je količina energije oslobođena tokom formiranja jezgra, zatim odgovarajuća masa

(9.2.1)

pozvao defekt mase i karakteriše smanjenje ukupne mase tokom formiranja jezgra iz njegovih sastavnih nukleona.

Ako jezgro ima masu M otrov nastao iz Z protoni sa masom m str i od ( A – Z) neutroni sa masom m n, To:

. (9.2.2)

Umjesto mase jezgra M vrijednost otrova ∆ m može se izraziti kroz atomska masa M u:

, (9.2.3)

Gdje mH je masa atoma vodika. U praktičnom proračunu, ∆ m mase svih čestica i atoma izražene su u terminima jedinice atomske mase (a.u.m.). Jedna jedinica atomske mase odgovara jedinici atomske energije (a.e.e.): 1 a.u.e. = 931,5016 MeV.

Defekt mase služi kao mjera nuklearne energije vezivanja:

. (9.2.4)

Specifična energija vezivanja jezgra ω St naziva se energija vezivanja,po nukleonu:

. (9.2.5)

Vrijednost ω St je u prosjeku 8 MeV/nukleon. Na sl. 9.2 pokazuje zavisnost specifične energije vezivanja od masenog broja A, koji karakterizira različite snage veze nukleona u jezgrima različitih hemijski elementi. Jezgra elemenata u srednjem dijelu periodični sistem(), tj. od do , najizdržljiviji.

U ovim jezgrima, ω je blizu 8,7 MeV/nukleon. Kako se broj nukleona u jezgri povećava, specifična energija vezivanja se smanjuje. Jezgra atoma hemijskih elemenata koji se nalaze na kraju periodnog sistema (na primjer, jezgro uranijuma) imaju ω St ≈ 7,6 MeV / nukleon. Ovo objašnjava mogućnost oslobađanja energije tokom fisije teških jezgara. U području malih masenih brojeva postoje oštri "vrkovi" specifične energije vezivanja. Maksimumi su karakteristični za jezgre s parnim brojem protona i neutrona ( , , ), a minimumi za jezgre s neparnim brojem protona i neutrona ( , , ).

Ako jezgro ima najmanju moguću energiju, onda se ono nalazi V osnovno energetsko stanje . Ako jezgro ima energiju, onda se ono nalazi V pobuđeno energetsko stanje . Slučaj odgovara cijepanju jezgra na njegove sastavne nukleone. Za razliku od energetskih nivoa atoma, koji su razdvojeni jedinicama elektronskih volti, energetski nivoi jezgra su međusobno odvojeni megaelektronvoltom (MeV). Ovo objašnjava porijeklo i svojstva gama zračenja.

Podaci o energiji vezivanja jezgara i upotreba kapljičnog modela jezgra omogućili su utvrđivanje nekih pravilnosti u strukturi atomskih jezgara.

Kriterijum stabilnosti atomskih jezgara je omjer između broja protona i neutrona u stabilnom jezgru za podatke izobare (). Uslov minimalne nuklearne energije dovodi do sljedeće relacije između Z usta i A:

. (9.2.6)

Uzmi cijeli broj Z usta najbliža onom dobijenom ovom formulom.

Za male i srednje vrijednosti A broj neutrona i protona u stabilnim jezgrima je približno isti: Z ≈ A – Z.

Sa rastom Z Kulonove odbojne sile protona rastu proporcionalno Z·( Z – 1) ~ Z 2 (interakcija protona u paru), a da bi se kompenziralo ovo odbijanje nuklearnim privlačenjem, broj neutrona mora rasti brže od broja protona.

Da pogledate demo, kliknite na odgovarajuću hipervezu:

Teme USE kodifikatora: energija vezivanja nukleona u jezgri, nuklearne sile.

Atomsko jezgro, prema nukleonskom modelu, sastoji se od nukleona - protona i neutrona. Ali koje sile drže nukleone unutar jezgra?

Šta, na primjer, drži dva protona i dva neutrona zajedno unutar jezgra atoma helijuma? Na kraju krajeva, protoni, odbijeni jedni od drugih električnim silama, trebali su se raspršiti različite strane! Možda ovo gravitaciono privlačenje nukleona jedan prema drugom ne dopušta jezgru da se raspadne?

Hajde da proverimo. Neka su dva protona na nekoj udaljenosti jedan od drugog. Nađimo omjer sile njihovog električnog odbijanja i sile njihove gravitacijske privlačnosti:

Protonski naboj C, masa protona kg, pa imamo:

Kakva monstruozna superiornost električne energije! Gravitaciono privlačenje protona ne samo da ne osigurava stabilnost jezgra - to se općenito ne primjećuje na pozadini njihovog međusobnog električnog odbijanja.

Posljedično, postoje i druge sile privlačenja koje drže nukleone zajedno unutar jezgre i po veličini premašuju električno odbijanje protona. To su takozvane nuklearne snage.

Nuklearne sile.

Do sada smo poznavali dvije vrste interakcija u prirodi - gravitacijske i elektromagnetne. Nuklearne sile služe kao manifestacija novog, trećeg tipa interakcije - jake interakcije. Nećemo ulaziti u mehanizam nastanka nuklearnih sila, već samo navesti njihova najvažnija svojstva.

1. Nuklearne sile djeluju između bilo koja dva nukleona: protona i protona, protona i neutrona, neutrona i neutrona.
2. Nuklearne sile privlačenja protona unutar jezgra su približno 100 puta veće od električnog odbijanja protona. U prirodi se ne primjećuju moćnije sile od nuklearnih.
3. Nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: njihov radijus djelovanja je oko m. Ovo je veličina jezgra - na toj udaljenosti jedan od drugog nukleone drže nuklearne sile. Kako se udaljenost povećava, nuklearne sile se vrlo brzo smanjuju; ako udaljenost između nukleona postane jednaka m, nuklearne sile će gotovo potpuno nestati.

Na udaljenostima manjim od m, nuklearne sile postaju sile odbijanja.

Snažna interakcija je jedna od fundamentalnih – ne može se objasniti na osnovu nekih drugih vrsta interakcija. Pokazalo se da je sposobnost jakih interakcija svojstvena ne samo protonima i neutronima, već i nekim drugim elementarnim česticama; sve takve čestice se nazivaju hadrona. Elektroni i fotoni ne pripadaju hadronima – ne učestvuju u jakim interakcijama.

Jedinica za atomsku masu.

Mase atoma i elementarnih čestica su izuzetno male, te ih je nezgodno mjeriti u kilogramima. Stoga se u atomskoj i nuklearnoj fizici često koristi mnogo manja jedinica – dakle
nazvana atomska jedinica mase (skraćeno a. e. m.).

Po definiciji, jedinica atomske mase je 1/12 mase atoma ugljika. Evo njegove vrijednosti sa tačnošću od pet decimalnih mjesta u standardnoj notaciji:

A.e.m.kg

(Takva tačnost će nam kasnije trebati da izračunamo jednu veoma važnu veličinu, koja se stalno koristi u proračunima energije jezgara i nuklearnih reakcija.)

Ispostavilo se da je 1 a. e.m., izražen u gramima, numerički je jednak recipročnoj vrijednosti Avogadrova konstanta mola:

Zašto je tako? Podsjetimo da je Avogadrov broj broj atoma u 12 g ugljika. Osim toga, masa atoma ugljika je 12 amu. e. m. Odavde imamo:

dakle a. e. m. = r, što je bilo potrebno.

Kao što se sjećate, svako tijelo mase m ima energiju mirovanja E, koja se izražava Ajnštajnovom formulom:

. (1)

Saznajte koliko energije sadrži jedna jedinica atomske mase. Morat ćemo izvršiti proračune s dovoljno visokom preciznošću, pa uzimamo brzinu svjetlosti s pet decimala:

Dakle za masu a. e. m. imamo odgovarajuću energiju mirovanja:

J. (2)

U slučaju malih čestica, nezgodno je koristiti džule - iz istog razloga kao i kilograme. Postoji mnogo manja jedinica energije - elektron-volt(skraćeno eV).

Po definiciji, 1 eV je energija koju dobija elektron kada prođe kroz ubrzavajuću potencijalnu razliku od 1 volta:

EV ClV J. (3)

(sjećate se da je u problemima dovoljno koristiti vrijednost elementarnog naboja u obliku C, ali ovdje su nam potrebni precizniji proračuni).

I sada, konačno, spremni smo da izračunamo vrlo važnu vrijednost obećanu gore - energetski ekvivalent jedinice atomske mase, izražen u MeV. Iz (2) i (3) dobijamo:

EV . (4)

Pa da zapamtimo: energija mirovanja od jednog a. e.m. je jednak 931,5 MeV. Sa ovom činjenicom ćete se susresti mnogo puta prilikom rješavanja problema.

U nastavku će nam trebati mase i energije mirovanja protona, neutrona i elektrona. Predstavljamo ih sa tačnošću koja je dovoljna za rješavanje problema.

A. e. m., MeV;
A. e.m., MeV;
A. e. m., MeV.

Defekt mase i energija vezivanja.

Navikli smo na činjenicu da je masa tijela jednaka zbiru masa dijelova od kojih se ono sastoji. U nuklearnoj fizici ovu jednostavnu ideju treba odbaciti.

Počnimo s primjerom i uzmimo nama dobro poznato jezgro čestica. U tabeli (na primjer, u Rymkevichevoj knjizi zadataka) postoji vrijednost za masu neutralnog atoma helijuma: to je 4,00260 AJ. e. m. Da bismo pronašli masu M jezgra helijuma, potrebno je oduzeti masu dva elektrona u atomu od mase neutralnog atoma:

Istovremeno, ukupna masa dva protona i dva neutrona koji čine jezgro helija je:

Vidimo da zbir masa nukleona koji čine jezgro premašuje masu jezgra za

Vrijednost se poziva defekt mase. Na osnovu Einsteinove formule (1), defekt mase odgovara promjeni energije:

Količina se takođe označava i naziva se energija vezivanja jezgra. Dakle, energija vezivanja -čestice je približno 28 MeV.

Koje je fizičko značenje energije vezivanja (a samim tim i defekta mase)?

Da podijeli jezgro na sastavne protone i neutrone, uradi posao protiv dejstva nuklearnih snaga. Ovaj rad nije manji od određene vrijednosti; minimalni rad na uništavanju jezgra se obavlja u slučaju kada se oslobađaju protoni i neutroni odmor.

Pa, ako se radi na sistemu, onda energija sistema povećava po količini obavljenog posla. Prema tome, ukupna energija mirovanja nukleona koji čine jezgro i uzetih odvojeno ispada da je više energija mirovanja jezgra za .

Posljedično, ukupna masa nukleona koji čine jezgro također će biti veća od mase samog jezgra. Zbog toga dolazi do masovnog defekta.

U našem primjeru sa -česticom, ukupna energija mirovanja dva protona i dva neutrona je 28 MeV veća od energije mirovanja jezgra helijuma. To znači da da bi se jezgro podijelilo na njegove sastavne nukleone, mora se obaviti rad jednak najmanje 28 MeV. Ovu veličinu smo nazvali energija vezivanja jezgra.

dakle, energija vezivanja jezgra je minimalni rad koji se mora obaviti da bi se jezgro podijelilo na njegove sastavne nukleone.

Energija vezivanja jezgra je razlika između energija mirovanja nukleona jezgra, uzetih odvojeno, i energije mirovanja samog jezgra. Ako se jezgro mase sastoji od protona i neutrona, tada za energiju vezivanja imamo:

Količina, kao što već znamo, naziva se defekt mase.

Specifična energija vezivanja.

Važna karakteristika čvrstoće jezgra je njegova specifična energija vezivanja, jednak omjeru energija vezivanja na broj nukleona:

Specifična energija vezivanja je energija vezivanja po nukleonu i ima smisla prosečan rad, što se mora učiniti da bi se nukleon uklonio iz jezgra.

Na sl. 1 prikazuje zavisnost specifične energije vezivanja prirodnih (tj. prirodnih 1 ) izotopa hemijskih elemenata o masenom broju A.

Rice. 1. Specifična energija vezivanja prirodnih izotopa

Elementi sa masenim brojevima 210–231, 233, 236, 237 se ne javljaju prirodno. Ovo objašnjava praznine na kraju grafikona.

Za lake elemente, specifična energija vezivanja raste sa povećanjem, dostižući maksimalnu vrednost od 8,8 MeV/nukleon u blizini gvožđa (to jest, u opsegu od oko 50 do 65). Zatim se postepeno smanjuje na vrijednost od 7,6 MeV/nukleon za uran.

Ovakav karakter zavisnosti specifične energije vezivanja od broja nukleona objašnjava se kombinovanim delovanjem dva suprotno usmerena faktora.

Prvi faktor je površinski efekti. Ako u jezgru ima malo nukleona, onda je značajan dio njih na površini jezgra. Ovi površinski nukleoni su okruženi manjim brojem susjeda od unutrašnjih nukleona i, shodno tome, stupaju u interakciju s manjim brojem susjednih nukleona. Sa povećanjem, udio unutrašnjih nukleona raste, a udio površinskih nukleona opada; prema tome, rad koji treba obaviti da bi se uklonio jedan nukleon iz jezgra bi se u prosjeku trebao povećavati sa povećanjem .

Međutim, s povećanjem broja nukleona, počinje se pojavljivati ​​drugi faktor - Kulonsko odbijanje protona. Na kraju krajeva, što je više protona u jezgru, to su veće električne odbojne sile teže da razbiju jezgro; drugim riječima, jači se svaki proton odbija od ostalih protona. Prema tome, rad potreban za uklanjanje nukleona iz jezgra bi u prosjeku trebao opadati s povećanjem .

Sve dok ima malo nukleona, prvi faktor dominira nad drugim, pa se specifična energija vezivanja povećava.

U blizini gvožđa, efekti oba faktora se međusobno porede, usled čega specifična energija vezivanja dostiže maksimum. Ovo je područje najstabilnijih, najtrajnijih jezgara.

Tada drugi faktor počinje da prevladava, a pod uticajem sve većih sila Kulonove odbijanja, pucanja jezgra, specifična energija vezivanja se smanjuje.

Zasićenost nuklearnih sila.

Činjenica da drugi faktor dominira u teškim jezgrima ukazuje na jedan zanimljiva karakteristika nuklearne sile: imaju svojstvo zasićenja. To znači da je svaki nukleon u velikom jezgru nuklearnim silama povezan ne sa svim ostalim nukleonima, već samo s malim brojem svojih susjeda, a taj broj ne ovisi o veličini jezgra.

Zaista, da nema takvog zasićenja, specifična energija vezivanja bi nastavila da raste sa povećanjem - uostalom, tada bi svaki nukleon držale zajedno nuklearne sile sa sve većim brojem nukleona jezgra, tako da bi prvi faktor neizbežno dominiraju nad drugom. Kulonove odbojne sile ne bi imale šanse da preokrenu tok u svoju korist!

Podijeli: