Энергия связи ядер

Для того, чтоб атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться снутри ядер большими силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, именуются ядерными.

Они представляют собой проявление самого насыщенного из всех узнаваемых в физике видов взаимодействия – так именуемого сильного взаимодействия. Ядерные силы приблизительно в 100 раз превосходят электростатические силы и на 10-ки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Принципиальной особенностью ядерных сил является их короткодействующий нрав. Ядерные силы приметно появляются, как проявили опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, только на расстояниях порядка размеров ядра (10–12–10–13 см). На огромных расстояниях проявляется действие сравнимо медлительно убывающих кулоновских сил. На основании опытнейших данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре ведут себя идиентично в отношении сильного взаимодействия, другими словами ядерные силы не зависят от наличия либо отсутствия у частиц электронного заряда. Самую важную роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна малой энергии, которую нужно затратить для полного расщепления ядра на отдельные частички. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергию связи хоть какого ядра можно найти при помощи четкого измерения его массы. В текущее время физики научились определять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высочайшей точностью. Эти измерения демонстрируют, что масса хоть какого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

Mя < Zmp + Nmn.

  Разность масс

ΔM = Zmp + Nmn – Mя.

именуется недостатком массы.  По недостатку массы можно найти при помощи формулы Эйнштейна E = mc2 энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, другими словами энергию связи ядра Eсв:

Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2.

  Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов. Рассчитаем в качестве примера энергию связи ядра гелия  Энергия связи ядер
, в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия Mя = 4,00260 а. е. м. Сумма масс 2-ух протонов и 2-ух нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. Как следует, недостаток массы ядра гелия равен ΔM = 0,03038 а. е. м. Расчет по формуле Eсв = ΔMc2 приводит к последующему значению энергии связи ядра  Энергия связи ядер
: Eсв = 28,3 МэВ. Это большая величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Приблизительно такая же энергия выделяется при сгорании практически целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превосходит энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода  Энергия связи ядер
к примеру, энергия ионизации равна 13,6 эВ. В таблицах принято указывать удельную энергию связи, другими словами энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи примерно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис. 9.6.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у различных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи поначалу круто растет от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия  Энергия связи ядер
до 7,1 МэВ/нуклон у гелия  Энергия связи ядер
. Потом, претерпев ряд скачков, удельная энергия медлительно растет до наибольшей величины 8,7 МэВ/нуклон у частей с массовым числом A = 50–60, а позже сравнимо медлительно миниатюризируется у томных частей. К примеру, у урана  Энергия связи ядер
она составляет 7,6 МэВ/нуклон.

Удельная энергия связи ядер. 1
Набросок 9.6.1. Удельная энергия связи ядер.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к томным элементам разъясняется повышением энергии кулоновского отталкивания протонов. В томных ядрах связь меж нуклонами слабеет, а сами ядра становятся наименее крепкими. В случае размеренных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются схожими ( Энергия связи ядер
,  Энергия связи ядер
,  Энергия связи ядер
). Под действием ядерных сил вроде бы образуются протон-нейтронные пары. Но у томных ядер, содержащих огромное число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания протонов для обеспечения стойкости требуются дополнительные нейтроны. На рис. 9.6.2 приведена диаграмма, показывающая числа протонов и нейтронов в размеренных ядрах. У ядер, последующих за висмутом (Z > 83), из-за огромного числа протонов полная стабильность оказывается вообщем неосуществимой.

Числа протонов и нейтронов 2
Набросок 9.6.2. Числа протонов и нейтронов в размеренных ядрах.

Из рис. 9.6.1 видно, что более устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра частей средней части таблицы Менделеева. Это значит, что есть две способности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях: 1) деление томных ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более томные. В обоих этих процессах выделяется неограниченное количество энергии. В текущее время оба процесса осуществлены фактически: реакции деления и термоядерные реакции. Выполним некие оценки. Пусть, к примеру, ядро урана  Энергия связи ядер
делится на два схожих ядра с массовыми числами 119. У этих ядер, как видно из рис. 9.6.1, удельная энергия связи порядка 8,5 МэВ/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана 7,6 МэВ/нуклон. Как следует, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон либо более 200МэВ на один атом урана. Разглядим сейчас другой процесс. Пусть при неких критериях два ядра дейтерия  Энергия связи ядер
соединяются в одно ядро гелия  Энергия связи ядер
. Удельная энергия связи ядер дейтерия равна 1,1 МэВ/нуклон, а удельная энергия связи ядра гелия равна 7,1 МэВ/нуклон. Как следует, при синтезе 1-го ядра гелия из 2-ух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон либо 24 МэВ на атом гелия. Следует направить внимание на то, что синтез легких ядер сопровождается приблизительно в 6 раз огромным выделением энергии на один нуклон по сопоставлению с делением томных ядер.