Що таке дефект мас атомного ядра | Дефект маси атомних ядер

Нуклони в атомному ядрі пов'язані між собою ядерними силами; тому щоб розділити ядро ​​на його окремі протони і нейтрони, необхідно витратити велику енергію. Ця енергія називається енергією зв'язку ядра.

Така сама за величиною енергія звільняється, якщо вільні протони і нейтрони з'єднуються і утворюють ядро. Отже, відповідно до спеціальної теорії відносності Ейнштейна маса атомного ядра має бути меншою від суми мас вільних протонів і нейтронів, з яких воно утворилося. Ця різниця мас відповідна енергії зв'язку ядра визначається співвідношенням Ейнштейна (§ 36.7):

Енергія зв'язку атомних ядер настільки велика, що ця різниця мас цілком доступна безпосередньому виміру. За допомогою мас-спектрографів така різниця мас справді виявлена ​​для всіх атомних ядер.

Різниця між сумою мас спокою вільних протонів і нейтронів, у тому числі утворено ядро, і масою ядра називається дефектом маси ядра.

Енергію зв'язку зазвичай виражають у мегаелектронвольтах (МеВ). Оскільки атомна одиниця маси (а. е. м.) дорівнює кг, можна визначити відповідну їй енергію:

Енергію зв'язку можна вимірювати безпосередньо за балансом енергії в реакції розщеплення ядра. Так вперше було визначено енергію зв'язку дейтрона за його розщепленні у-квантами. Однак формули (37.1) енергію зв'язку можна визначити набагато точніше, оскільки за допомогою мас-спектрографа можна виміряти маси ізотопів з точністю .

Підрахуємо, наприклад, енергію зв'язку ядра гелію Його маса в атомних одиницях дорівнює маса протона нейтрона маса . Звідси дефект маси ядра гелію

Помноживши на МеВ, отримаємо

За допомогою мас-спектрографа було виміряно маси всіх ізотопів та визначено значення дефекту маси та енергії зв'язку ядер. Значення енергії зв'язку ядер деяких ізотопів наведено у табл. 37.1. З допомогою таких таблиць виконують енергетичні розрахунки ядерних реакцій.

Таблиця 37.1. (див. скан) Енергія зв'язку атомних ядер

Якщо сумарна маса ядер і частинок, що утворилися в будь-якій ядерній реакції, менша від сумарної маси вихідних ядер і частинок, то в такій реакції звільняється енергія, що відповідає цьому зменшенню маси. Коли загальна кількість протонів і загальна кількість нейтронів зберігається, зменшення сумарної маси означає, що в результаті реакції збільшується загальний дефект маси і в нових ядрах нуклони ще більше пов'язані один з одним, ніж у вихідних ядрах. Енергія, що звільняється, дорівнює різниці між сумарною енергією зв'язку утворених ядер і сумарною енергією зв'язку вихідних ядер, і її можна знайти за допомогою таблиці, не обчислюючи зміну загальної маси. Ця енергія може виділятися у навколишнє середовище у вигляді кінетичної енергії ядер і частинок або у-квантів. Прикладом реакції, що супроводжується виділенням енергії, може бути будь-яка мимовільна реакція.

Проведемо енергетичний розрахунок ядерної реакції перетворення радію на радон:

Енергія зв'язку вихідного ядра становить 1731,6 МеВ (табл. 37.1), а сумарна енергія зв'язку ядер, що утворилися, дорівнює МеВ і більше енергії зв'язку вихідного ядра на 4,9 МеВ.

Отже, у цій реакції звільняється енергія 4,9 МеВ, яка переважно становить кінетичну енергію а-частки.

Якщо в результаті реакції утворюються ядра і частинки, сумарна маса яких більша, ніж у вихідних ядер і частинок, то така реакція може протікати тільки з поглинанням енергії, що відповідає цьому збільшенню маси, і мимоволі ніколи не станеться. Величина поглиненої енергії дорівнює різниці між сумарною енергією зв'язку вихідних ядер і сумарною енергією зв'язку ядер, що утворилися в реакції. Таким шляхом можна розрахувати, яку кінетичну енергію повинна мати при зіткненні з ядром-мішенню частка або інше ядро, щоб здійснити такого роду реакцію, або обчислити необхідну величину -кванта для розщеплення будь-якого ядра.

Так, мінімальна величина -кванта, необхідна для розщеплення дейтрона, дорівнює енергії зв'язку дейтрону 2,2 МеВ, оскільки

у цій реакції:

утворюються вільні протон та нейтрон

Хороший збіг подібних теоретичних розрахунків з результатами дослідів показує правильність наведеного вище пояснення дефекту маси атомних ядер і підтверджує встановлений теорією відносності принцип пропорційності маси та енергії.

Слід зазначити, що реакції, у яких відбувається перетворення елементарних частинок (наприклад, -розпад), також супроводжуються виділенням чи поглинанням енергії, що відповідає зміні загальної маси частинок.

Важливою характеристикою ядра є середня енергія зв'язку ядра, що припадає на один нуклон, (табл. 37.1). Чим вона більша, тим сильніше пов'язані між собою нуклони, тим міцніше ядро. З табл. 37.1 видно, що більшість ядер величина дорівнює приблизно 8 МеВ на. нуклон і зменшується для дуже легких та важких ядер. Серед легких ядер виділяється ядро ​​гелію.

Залежність величини від масового числа ядра показана на рис. 37.12. У легких ядер велика частка нуклонів перебуває в поверхні ядра, де вони повністю використовують свої зв'язку, і величина невелика. У міру збільшення маси ядра відношення поверхні до об'єму зменшується та зменшується частка нуклонів, що знаходяться на поверхні. Тому зростає. Однак у міру збільшення числа нуклонів в ядрі зростають кулонівські сили відштовхування між протонами, що послаблюють зв'язки в ядрі, і величина важких ядер зменшується. Таким чином, величина максимальна у ядер середньої маси (отже, вони відрізняються найбільшою міцністю.

Звідси випливає важливий висновок. У реакціях розподілу важких ядер на два середніх ядра, а також при синтезі середнього або легкого ядра з двох легших ядер виходять ядра міцніше вихідних (з більшою величиною Значить, при таких реакціях звільняється енергія. На цьому засновано отримання атомної енергії при розподілі важких ядер ( § 39.2) та термоядерної енергії – при синтезі ядер (§ 39.6).

Нуклони в ядрах знаходяться в станах, які істотно відрізняються від їх вільних станів. За винятком ядра звичайного водню, у всіх ядрахє не менше двох нуклонів, між якими існує особливе ядерна сильна взаємодія – тяжіння, що забезпечує стійкість ядер попри відштовхування однойменно заряджених протонів.

· Енергією зв'язку нуклонув ядрі називається фізична величина, рівна тій роботі, яку потрібно зробити для видалення нуклону з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.

· Енергія зв'язку ядра визначається величиною тієї роботи,яку потрібно здійснити,щоб розщепити ядро ​​на складові його нуклони без надання їм кінетичної енергії.

Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така енергія, яку потрібно витратити при розщепленні ядра на його нуклони. Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що становлять ядро, та їх енергією в ядрі.

При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менша, ніж сума мас його нуклонів. Зменшення маси ядра за його утворення пояснюється виділенням енергії зв'язку. Якщо Wсв - величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса

називається дефектом маси і характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з його складових нуклонів.

Якщо ядро ​​масою Мотрута утворена з Zпротонів з масою m pі із ( A – Z) нейтронів з масою m n, то:

Замість маси ядра Мотрута величину ∆ mможна виразити через атомну масу Мат:

де mН- Маса водневого атома. При практичному обчисленні ∆ mмаси всіх частинок і атомів виражаються в атомних одиницях маси (А.е.м.). Однією атомній одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (a.e.е.): 1 а.е.е. = 931,5016 МеВ.

Дефект маси служить мірою енергії зв'язку ядра:

Питомою енергією зв'язку ядра ω св називається енергія зв'язку,що припадає на один нуклон:

Розмір ω св становить середньому 8 МеВ/нуклон. На рис. 9.2 наведено криву залежності питомої енергії зв'язку від масового числа Aхарактеризує різну міцність зв'язків нуклонів у ядрах різних хімічних елементів Ядра елементів середньої частини періодичної системи (), тобто. від до, найбільш міцні.

У цих ядрах ω св близька до 8,7 МеВ/нуклон. У міру збільшення числа нуклонів у ядрі питома енергія зв'язку зменшується. Ядра атомів хімічних елементів, розташованих наприкінці періодичної системи (наприклад ядро ​​урану), мають ω ≈ 7,6 МеВ/нуклон. Це пояснює можливість виділення енергії при розподілі важких ядер. У сфері малих масових чисел є гострі «піки» питомої енергії зв'язку. Максимуми характерні ядер з парними числами протонів і нейтронів ( , , ), мінімуми – для ядер з непарними кількостями протонів і нейтронів ( , , ).

Якщо ядро ​​має найменшу можливу енергію, воно перебуває в основному енергетичному стані . Якщо ядро ​​має енергію, воно перебуває в збудженому енергетичному стані . Випадок відповідає розщепленню ядра на його нуклони. На відміну від енергетичних рівнів атома, розсунутих на одиниці електронвольтів, енергетичні рівні ядра відстоять один від одного на мегаелектронвольт (МеВ). Цим пояснюється походження та властивості гамма-випромінювання.

Дані про енергію зв'язку ядер та використання крапельної моделі ядра дозволили встановити деякі закономірності будови атомних ядер.

Критерієм стійкості атомних ядерє співвідношення між числом протонів та нейтронів у стійкому ядрідля даних ізобарів (). Умова мінімуму енергії ядра призводить до наступного співвідношення між Zвуст і А:

.

(9.2.6)

Береться ціле число Zвуст, найближчий до того, що виходить за цією формулою.

При малих та середніх значеннях Ачисла нейтронів і протонів у стійких ядрах приблизно однакові: Z ≈ А – Z.

Зі зростанням Zсили кулонівського відштовхування протонів зростають пропорційно Z·( Z – 1) ~ Z 2 (парна взаємодія протонів), і для компенсації цього відштовхування ядерним тяжінням число нейтронів має зростати швидше за кількість протонів.

Для перегляду демонстрацій клацніть на відповідному гіперпосиланні:

лекція 18.Елементи фізики атомного ядра

План лекції

Атомне ядро. Дефект маси, енергія зв'язку ядра.

Радіоактивне випромінювання та його види. Закон радіоактивного розпаду.

Закони збереження при радіоактивних розпадах та ядерних реакціях.

1. Атомне ядро. Дефект маси, енергія зв'язку ядра.

Склад атомного ядра

Ядерна фізика- наука про будову, властивості та перетворення атомних ядер. У 1911 році Е. Резерфорд встановив у дослідах з розсіювання -часток при їх проходженні через речовину, що нейтральний атом складається з компактного позитивно зарядженого ядра і негативної електронної хмари. В. Гейзенберг та Д.Д. Іваненко (незалежно) висловили гіпотезу про те, що ядро ​​складається з протонів та нейтронів.

Атомне ядро- центральна масивна частина атома, що складається з протонів та нейтронів, які отримали загальну назву нуклонів. У ядрі зосереджено майже всю масу атома (понад 99,95%). Розміри ядер порядку 10 -13 - 10 -12 див і від числа нуклонів в ядрі. Щільність ядерної речовини як легких, так важких ядер майже однакова і становить близько 10 17 кг/м 3 , тобто. 1 см 3 ядерної речовини важив би 100 млн. т. Ядра мають позитивний електричний заряд, що дорівнює абсолютній величині сумарного заряду електронів в атомі.

Протон (Символ p) - елементарна частка, ядро ​​атома водню. Протон має позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона. Маса протона m p = 1,6726 10 -27 кг = 1836 m e , де m e - Маса електрона.

У ядерній фізиці прийнято виражати маси в атомних одиницях маси:

1 а.е.м. = 1,65976 10 -27 кг.

Отже, маса протона, виражена в а.е.м., дорівнює

m p = 1,0075957 а.о.м.

Число протонів в ядрі називається зарядовим числом Z. Воно дорівнює атомному номеру даного елемента і, отже, визначає місце елемента у періодичній системі елементів Менделєєва.

Нейтрон (Символ n) - елементарна частка, що не володіє електричним зарядом, маса якої трохи більше маси протона.

Маса нейтрону m n = 1,675 10 -27 кг = 1,008982 а. Число нейтронів у ядрі позначається N.

Сумарна кількість протонів і нейтронів у ядрі (число нуклонів) називається масовим числомі позначається літерою А,

Для позначення ядер застосовується символ , де Х – хімічний символ елемента.

Ізотопи- Різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, атомні ядра яких мають однакове число протонів (Z) і різне число нейтронів (N). Ізотопами називають також ядра таких атомів. Ізотопи займають те саме місце в періодичній системі елементів. Як приклад наведемо ізотопи водню:

Поняття про ядерні сили.

Ядра атомів - надзвичайно міцні утворення, незважаючи на те, що однойменно заряджені протони, знаходячись на дуже малих відстанях в атомному ядрі, повинні з величезною силою відштовхуватися один від одного. Отже, всередині ядра діють надзвичайно великі сили тяжіння між нуклонами, які у багато разів перевищують електричні сили відштовхування між протонами. Ядерні сили є особливим видом сил, це найсильніші з усіх відомих взаємодій у природі.

Дослідження показали, що ядерні сили мають такі властивості:

ядерні сили тяжіння діють між будь-якими нуклонами, незалежно від їхнього зарядового стану;

ядерні сили тяжіння є короткодіючими: вони діють між будь-якими двома нуклонами на відстані між центрами частинок близько 2 · 10 -15 м і різко спадають при збільшенні відстані (при відстанях більше 3 · 10 -15 м вони вже практично рівні нулю);

для ядерних сил властива насиченість, тобто. кожен нуклон може взаємодіяти лише з найближчими щодо нього нуклонами ядра;

ядерні сили є центральними, тобто. вони не діють уздовж лінії, що з'єднує центри нуклонів, що взаємодіють.

В даний час природа ядерних сил вивчена не до кінця. Встановлено, що є так званими обмінними силами. Обмінні сили мають квантовий характер і не мають аналога в класичній фізиці. Нуклони зв'язуються між собою третьою часткою, якою вони постійно обмінюються. У 1935 р. японський фізик Х. Юкава показав, що нуклони обмінюються частинками, маса яких приблизно в 250 разів більша за масу електрона. Передбачені частки були виявлені в 1947 р. англійським ученим С. Пауеллом при вивченні космічних променів і згодом названі -мезонами або півонії.

Взаємні перетворення нейтрону та протона підтверджуються різними експериментами.

Дефект мас атомних ядер. Енергія зв'язку атомного ядра.

Нуклони в атомному ядрі пов'язані між собою ядерними силами, тому, щоб розділити ядро ​​на окремі протони і нейтрони, що його складають, необхідно витратити велику енергію.

Мінімальна енергія, необхідна для поділу ядра на нуклони, що його складають, називається енергією зв'язку ядра. Така сама за величиною енергія звільняється, якщо вільні нейтрони і протони з'єднуються і утворюють ядро.

Точні мас-спектроскопічні вимірювання мас ядер показали, що маса спокою атомного ядра менша за суму мас спокою вільних нейтронів і протонів, з яких утворилося ядро. Різниця між сумою мас спокою вільних нуклонів, з яких утворено ядро, та масою ядра називається дефектом маси:

Цій різниці мас m відповідає енергія зв'язку ядра Е св, Яка визначається співвідношенням Ейнштейна:

або, підставивши вираз для  m, Отримаємо:

Енергію зв'язку зазвичай виражають у мегаелектронвольтах (МеВ). Визначимо енергію зв'язку, що відповідає одній атомній одиниці маси (, швидкість світла у вакуумі
):

Перекладемо отриману величину в електронвольти:

У зв'язку з цим практично зручніше користуватися наступним виразом для енергії зв'язку:

де множник m виражений в атомних одиницях маси.

Важливою характеристикою ядра є питома енергія зв'язку ядра, тобто. енергія зв'язку, що припадає на нуклон:

.

Чим більше тим сильніше пов'язані між собою нуклони.

Залежність величини від масового числа ядра показана на малюнку 1. Як видно з графіка, найсильніше пов'язані нуклони в ядрах з масовими числами порядку 50-60 (Cr-Zn). Енергія зв'язку для цих ядер досягає

8,7 МеВ/нуклон. Зі зростанням А питома енергія зв'язку поступово зменшується.

Радіоактивне випромінювання та його види. Закон радіоактивного розпаду.

Французький фізик А. Беккерель у 1896р. при вивченні люмінесценції солей урану випадково виявив мимовільне випромінювання ними випромінювання невідомої природи, що діяло на фотопластинку, іонізувало повітря, проходило крізь тонкі металеві пластинки, викликало люмінесценцію ряду речовин.

Продовжуючи дослідження цього явища, подружжя Кюрі виявило, що таке випромінювання властиве не тільки урану, а й багатьом іншим важким елементам (торій, актіній, полоній).
, радій
).

Виявлене випромінювання було названо радіоактивним, а саме явище – радіоактивністю.

Подальші досліди показали, що на характер випромінювання препарату не впливають вид хім. з'єднання, агрегатний стан, тиск, температура, електричні та магнітні поля, тобто. всі ті дії, які б призвести до зміни стану електронної оболонки атома. Отже, радіоактивні властивості елемента обумовлені лише структурою його ядра.

Радіоактивністю називається мимовільне перетворення одних атомних ядер на інші, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок. Радіоактивність підрозділяється на природну (спостерігається у нестійких ізотопів, що у природі) і штучну (спостерігається в ізотопів, отриманих у вигляді ядерних реакцій). Принципової різниці між ними немає, закони радіоактивного перетворення однакові. Радіоактивне випромінювання має складний склад (рис. 2).

- випромінюванняявляє собою потік ядер гелію,
,
, має високу іонізуючу здатність і малу проникаючу здатність (поглинається шаром алюмінію з
мм).

- випромінювання- Потік швидких електронів. Іонізуюча здатність приблизно на 2 порядки менша, а проникаюча здатність набагато більша, поглинається шаром алюмінію з
мм.

- Випромінювання- короткохвильове електромагнітне випромінювання з
м і внаслідок цього із яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто. є потоком квантів. Має відносно слабку іонізуючу здатність і дуже велику проникаючу здатність (проходить через шар свинцю з
см).

Окремі радіоактивні ядра зазнають перетворення незалежно один від одного. Тому можна вважати, що кількість ядер
, що розпалися за час
, пропорційно числу наявних радіоактивних ядер
та часу
:

,
.

Знак мінус відбиває той факт, що кількість радіоактивних ядер зменшується.

- постійна радіоактивного розпаду, характерна для цієї радіоактивної речовини, визначає швидкість радіоактивного розпаду.

,
,

,
,
,
,

- закон радіоактивного розпаду,

- кількість ядер у початковий момент часу
,

- кількість ядер, що не розпалися, в момент часу .

Число ядер, що не розпалися спадає за експоненційним законом.

Кількість ядер, що розпалися за час визначається виразом

Час, за який розпадається половина первісної кількості ядер, називається періодом напіврозпаду. Визначимо його значення.

При

,

,
,
,

,
.

Період напіврозпаду для відомих нині радіоактивних ядер знаходиться в межах 310 -7 с до 510 15 років.

Число ядер, що розпадаються в одиницю часу, називається активністю елемента в радіоактивному джерелі,

.

Активність одиниці маси речовини - питома активність,

.

Одиниця активності у Сі – беккерель (Бк).

1 Бк – активність елемента, коли він за 1 з приходить 1 акт розпаду;

[А] = 1Бк = 1 .

Позасистемна одиниця радіоактивності – кюрі (Кі). 1Кі - активність, за якої за 1с відбувається 3,710 10 актів розпаду.

Закони збереження при радіоактивних розпадах та ядерних реакціях.

Атомне ядро, що зазнає розпаду, називається материнськимядро, що виникає дочірнім.

Радіоактивний розпад відбувається відповідно до так званих правил зсуву, що дозволяють встановити, яке ядро ​​виникає в результаті розпаду даного материнського ядра.

Правила усунення є наслідком двох законів, які виконуються при радіоактивних розпадах.

1.Закон збереження електричного заряду:

сума зарядів ядер і частинок, що виникають, дорівнює заряду вихідного ядра.

2. Закон збереження масового числа:

сума масових чисел ядер, що виникають, і частинок дорівнює масовому числу вихідного ядра.

Альфа розпад.

- промені є потік ядер
. Розпад протікає за схемою

,

Х- Хімічний символ материнського ядра, - Дочірнього.

Альфа розпад зазвичай супроводжується випромінюванням дочірнім ядром - променів.

Зі схеми видно, що атомний номер дочірнього ядра на 2 одиниці менше, ніж у материнського, а масове число на 4 одиниці, тобто. елемент, що вийшла в результаті - Розпаду, буде розташований в таблиці Менделєєва на 2 клітини лівіше вихідного елемента.

.

Подібно до того, як фотон не існує в готовому вигляді в надрах атома і виникає лише в момент випромінювання, - частка теж не існує в готовому вигляді в ядрі, а виникає в момент його радіоактивного розпаду при зустрічі 2-х протонів і 2-х нейтронів, що рухаються всередині ядра.

Бета – розпад.

-розпад або електронний розпад протікає за схемою

.

Виходить в результаті елемент
буде розташований у таблиці на одну клітинку правіше (зміщений) щодо вихідного елемента.

Бета – розпад може супроводжуватися випромінюванням - променів.

Гамма випромінювання . Експериментально встановлено, що випромінювання не є самостійним видом радіоактивності, а лише супроводжує - І -Розпади, виникає при ядерних реакціях, гальмуванні заряджених частинок, їх розпаді і т.д.

Ядерною реакцієюназивається процес сильної взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою або іншим ядром, що призводить до перетворення ядра (або ядер). Взаємодія часток, що реагують, виникає при зближенні їх до відстаней порядку 10 -15 м, тобто. до відстаней, у яких можлива дія ядерних сил, r~10 -15 м.

Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція взаємодії легкої частки. "з ядром Х, в результаті якого утворюється легка частка" ві ядро ​​Y.

Х-вихідне ядро, Y-кінцеве ядро.

-частка, що викликає реакцію,

в-Частина, що виходить в результаті реакції.

Як легкі частинки аі вможуть фігурувати нейтрон , протон , Дейтрон
,- частинка,
,- фотон.

У будь-якій ядерній реакції виконуються закони збереження:

1) електричних зарядів: сума зарядів ядер та частинок, що вступають у реакцію, дорівнює сумі зарядів кінцевих продуктів (ядер та частинок) реакції;

2) масових чисел;

3) енергії;

4) імпульсу;

5) моменту імпульсу.

Енергетичний ефект ядерної реакції можна розрахувати шляхом складання енергетичного балансу реакції. Кількість енергії, що виділяється і поглинається, називається енергією реакції і визначається різницею мас (виражених в енергетичних одиницях) вихідних і кінцевих продуктів ядерної реакції. Якщо сума мас ядер і частинок перевищує суму мас вихідних ядер і частинок, реакція йде з поглинанням енергії (і навпаки).

Питання, при яких перетвореннях ядра відбувається поглинання чи виділення енергії можна вирішити з допомогою графіка залежності питомої енергії зв'язку від масового числа А (рис.1). З графіка видно, що ядра елементів початку кінця періодичної системи менш стійкі, т.к.  у них менше.

Отже, виділення ядерної енергії відбувається при реакціях поділу важких ядер, і при реакціях синтезу легких ядер.

Це положення є виключно важливим, оскільки на ньому засновані промислові способи отримання ядерної енергії.

Дослідження свідчать, що атомні ядра є стійкими утвореннями. Це означає, що в ядрі між нуклонами існує певний зв'язок.

Масу ядер дуже точно можна визначити за допомогою мас-спектрометрів - вимірювальних приладів, що розділяють за допомогою електричних та магнітних полів пучки заряджених частинок (зазвичай іонів) з різними питомими зарядами Q/m.Мас-спектрометричні виміри показали, що маса ядра менша, ніж сума мас його нуклонів.Але оскільки будь-якій зміні маси має відповідати зміна енергії, то, отже, при утворенні ядра має виділятися певна енергія. Із закону збереження енергії випливає і протилежне: для поділу ядра на складові необхідно витратити таку ж кількість енергії, що виділяється при його утворенні. Енергія, яку потрібно витратити, щоб розщепити ядро ​​на окремі нуклони, називається енергією зв'язку ядра.

Згідно з виразом (40.9), енергія зв'язку нуклонів у ядрі

де т p , т n , тя - відповідно маси протона, нейтрону та ядра. У таблицях зазвичай наводяться не маси тя ядер, а маси татомів. Тому для енергії зв'язку ядра користуються формулою

де m H – маса атома водню. Так як m H більше m pна величину m e, то перший член у квадратних дужках включає масу Zелектронів. Але оскільки маса атома твідрізняється від маси ядра тя якраз на масу Zелектронів, то обчислення за формулами (252.1) та (252.2) призводять до однакових результатів.

Величина

називається дефектом масиядра. На цю величину зменшується маса всіх нуклонів при утворенні їх атомного ядра.

Часто замість енергії зв'язку розглядають питому енергію зв'язку d Eсв - енергію зв'язку, віднесену до одного нуклону. Вона характеризує стійкість (міцність) атомних ядер, тобто чим більше d Eсв , тим стійкіше ядро. Питома енергія зв'язку залежить від масового числа Аелемента (рис. 342). Для легких ядер ( А£ 12) питома енергія зв'язку круто зростає до 6¸7 МеВ, зазнаючи цілого ряду стрибків (наприклад, для Н d Eсв =1,1 МеВ, для He - 7,1 МеВ, для Li - 5,3 МеВ), потім повільніше зростає до максимальної величини 8,7 МеВ у елементів з А=50 60, а потім поступово зменшується у важких елементів (наприклад, для U вона становить 7,6 МеВ). Зазначимо для порівняння, що енергія зв'язку валентних електронів в атомах становить приблизно 10 еВ (у 106 разів менше).

Зменшення питомої енергії зв'язку при переході до важких елементів пояснюється тим, що зі зростанням числа протонів в ядрі збільшується і їхня енергія кулонівського відштовхування.Тому зв'язок між нуклонами стає менш сильним, а самі ядра менш міцними.

Найбільш стійкими виявляються так звані магічні ядра,у яких число протонів або число нейтронів дорівнює одному з магічних чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особливо стабільні двічі магічні ядра, У яких магічними є і число протонів, і число нейтронів (ціх ядер налічується всього п'ять: Не, O, Ca, Ca, Pb).

З рис. 342 слід, що з енергетичної точки зору найбільш стійкими є ядра середньої частини таблиці Менделєєва. Важкі та легкі ядра менш стійкі. Це означає, що енергетично вигідні такі процеси: 1) розподіл важких ядер більш легкі; 2) злиття легких ядер один з одним у більш тяжкі. При обох процесах виділяється дуже багато енергії; ці процеси в даний час здійснено практично: реакції розподілу та термоядерні реакції.

Ізотопи

Ізотопи- Різновиди атомів (і ядер) одного хімічного елемента з різною кількістю нейтронів в ядрі. Хімічні властивості атома залежать практично від будови електронної оболонки, яка, своєю чергою, визначається переважно зарядом ядра Z(тобто кількістю протонів у ньому) і майже залежить від його масового числа A(тобто сумарного числа протонів Zта нейтронів N). Усі ізотопи одного елемента мають однаковий заряд ядра, відрізняючись лише числом нейтронів.

Приклад ізотопів: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - три стабільні ізотопи кисню.

88. Будова атомного ядра. Субатомні частки. Елементи. Ізотопи.

Атом складається з ядра і навколишнього його електронного "хмари". Що знаходяться в електронній хмарі електронинесуть негативнийелектричний заряд. Протони, що входять до складу ядра, несуть позитивнийзаряд.

У будь-якому атомі число протонів в ядрі точно дорівнює числу електронів в електронній хмарі, тому атом в цілому - нейтральна частка, яка не несе заряду.

Атом може втратити один або кілька електронів, або навпаки – захопити чужі електрони. У цьому випадку атом набуває позитивного або негативного заряду і називається іоном.

Зовнішні розміри атома – це розміри набагато менш щільної електронної хмари, яка приблизно в 100000 разів більша за діаметр ядра.

Крім протонів, до складу ядра більшості атомів входять нейтрони, що не несуть ніякого заряду. Маса нейтрону мало відрізняється від маси протона. Разом протони та нейтрони називаються нуклонами.

Енергія Зв'язку та Дефект Маси Ядра

Нуклони у ядрі міцно утримуються ядерними силами. Щоб видалити нуклон з ядра, треба зробити велику роботу, т. е. повідомити ядру значну енергію.

Енергія зв'язку атомного ядра Е св характеризує інтенсивність взаємодії нуклонів в ядрі і дорівнює тій максимальній енергії, яку необхідно витратити, щоб розділити ядро ​​на окремі нуклони, що не взаємодіють, без повідомлення їм кінетичної енергії. Кожне ядро ​​має свою енергію зв'язку. Чим більша ця енергія, тим стійкіше атомне ядро. Точні вимірювання мас ядра показують, що маса спокою ядра m я завжди менша за суму мас спокою, що становлять його протонів і нейтронів. Цю різницю мас називають дефектом маси:

Саме ця частина маси Дт губиться при виділенні енергії зв'язку. Застосовуючи закон взаємозв'язку маси та енергії, отримаємо:

* С2 (коротше тут, помножити на С у квадраті)

де – швидкість світла у вакуумі.

Іншим важливим параметром ядра є енергія зв'язку, що припадає на один нуклон ядра, яку можна обчислити, розділивши енергію зв'язку ядра на число нуклонів, що містяться в ньому:

Ця величина є середньою енергією, яку потрібно витратити, щоб видалити один нуклон з ядра, або середня зміна енергії зв'язку ядра, коли вільний протон або нейтрон поглинається в ньому.

На рис. наведено графік експериментально встановленої залежності Е св.

Як видно з малюнку, що пояснює, при малих значеннях масових чисел питома енергія зв'язку ядер різко зростає і досягає максимуму при (приблизно 8,8 Мев). Нукліди з такими масовими числами є найбільш стійкими. З подальшим зростанням середня енергія зв'язку зменшується, однак у широкому інтервалі масових чисел значення енергії майже постійно (МеВ), з чого випливає, що можна записати.

Такий характер поведінки середньої енергії зв'язку вказує на властивість ядерних сил досягати насичення, тобто можливість взаємодії нуклону тільки з малим числом «партнерів». Якби ядерні сили не мали властивість насичення, то в межах радіусу дії ядерних сил кожен нуклон взаємодіяв би з кожним з інших і енергія взаємодії була б пропорційна, а середня енергія зв'язку одного нуклону не була б постійною у різних ядер, а зростала б зі зростанням .

90. Теорії будови атомного ядра

У розвитку фізики висувалися різні гіпотези будови атомного ядра. Найбільш відомими є такі:

· Крапельна модель ядра - запропонована в 1936 Нільсом Бором.

Крапельна модель ядра- одна з ранніх моделей будови атомного ядра, запропонована Нільсом Бором в 1936 році в рамках теорії складового ядра, розвинена Яковом Френкелем і, надалі, Джоном Вілером, на підставі якої Карлом Вайцзеккером була вперше отримана напівемпірична формула для енергії зв'язку ядраатома, його честь формулою Вайцзеккера.

Відповідно до цієї теорії, атомне ядро ​​можна представити у вигляді сферичної рівномірно зарядженої краплі з особливої ​​ядерної матерії, яка володіє деякими властивостями, наприклад несжимаемістю, насиченням ядерних сил, «випаровуванням» нуклонів (нейтронів протонів), нагадує рідина. У зв'язку з чим на таке ядро-краплю можна поширити деякі інші властивості краплі рідини, наприклад поверхневий натяг, дроблення краплі на дрібніші (розподіл ядер), злиття дрібних крапель в одну велику (синтез ядер).

· Оболонкова модель ядра – запропонована у 30-х роках XX століття.

У оболонковій моделі атома електрони наповнюють електронні оболонки, і, як тільки заповнена оболонка, значно знижується енергія зв'язку для наступного електрона.

· Узагальнена модель Бора – Моттельсона.

О. м. я. запропонована вона заснована на припущенні про незалежний рух нуклонів у полі з потенціалом, що повільно змінюється. Нуклони внутр. заповнених оболонок утворюють "кістяк", який володіє колективними ступенями свободи і описується за допомогою моделі рідкої краплі (див. Крапельна модель ядра).Нуклони зовнішніх, незаповнених оболонок, взаємодіючи з поверхнею цієї краплі, утворюють загальний, як правило, несферичний, самозгод. потенціал. Адіабатичність зміни цього потенціалу дозволяє відокремити одночастковий рух нуклонів, що відбувається фіксир. потенціалі, від колективного руху, що призводить до зміни форми та орієнтації порівн. поля ядра. Такий підхід аналогічний поділу руху електронів та ядер у молекулах.

· Кластерна модель ядра

· Модель нуклонних асоціацій

· Оптична модель ядра

· Надплинна модель ядра

· Статистична модель ядра

Ядерні сили

Ядерні сили - це сили, що утримують нуклони в ядрі, що є великими силами тяжіння, що діють лише на малих відстанях. Вони мають властивості насичення, у зв'язку з чим ядерним силам приписується обмінний характер. Ядерні сили залежить від спина, не залежить від електричного заряду і є центральними силами.

Радіоактивний розпад

Радіоактивний розпад(Від лат. radius«промінь» і āctīvus«дієвий») - спонтанна зміна складу нестабільних атомних ядер (заряду Z, масового числа A) шляхом випромінювання елементарних частинок або ядерних фрагментів. Процес радіоактивного розпаду також називають радіоактивністюа відповідні елементи радіоактивними. Радіоактивними називають речовини, що містять радіоактивні ядра.

Встановлено, що радіоактивні всі хімічні елементи з порядковим номером, більшим за 82 (тобто починаючи з вісмуту), і багато легших елементів (прометій і технецій не мають стабільних ізотопів, а в деяких елементів, таких як індій, калій або кальцій, частина природних ізотопів стабільні, інші радіоактивні).

Природна радіоактивність- мимовільний розпад ядер елементів, які у природі.