Как найти дефект массы и энергию связи. Дефект масс и энергия связи ядер

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра общей физики

Энергия связи и дефект масс

Курсовая работа
Выполнила: студентка 3 курса ФМФ, группы «Е», Подорван А.Н. Проверила: доцент Карацуба Л.П. Благовещенск 2000 Содержание

§1. Дефект массы – характеристика

атомного ядра, энергия связи. 3

§ 2 Масс-спектроскопические методы

измерения масс и аппаратура. 7

§ 3. Полуэмпирические формулы для

вычисления масс ядер и энергий связи ядер. 12

п.3.1. Старые полуэмпирические формулы. 12

п.3.2. Новые полуэмпирические формулы

с учетом влияния оболочек 16

Литература 24

§1. Дефект массы – характеристика атомного ядра, энергия связи.

Задача о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала учёных, но теория относительности, установив связь между массой и энергией тела (E=mc 2), дала ключ к решению этой задачи, а протон-нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятся некоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Масса и атомный вес некоторых частиц

(Массы нуклидов и их разности определяют опытным путем с помощью: масс-спектроскопических измерений; измере­ний энергий различных ядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновых измерений, дающих отношение масс или их разностей.)

Сравним массу -частицы, т.е. ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит. Для этого из суммы удвоенной массы протона и удвоенной массы нейтрона вычтем массу -частицы и полученную таким образом величину назовём дефектом массы

m=2M p +2M n -M  =0,03037 а.е.м. (1.1)

Атомная единица массы

m а.е.м. = (1,65970,0004)10 -27 кг. (1.2)

Пользуясь формулой связи между массой и энергией, делаемой теорией относительности, можно определить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её в джоулях или, что более удобно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=10 6 эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшим разность потенциалов в миллион вольт.

Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна

E=m а.е.м.  с 2 =1,6597 10 -27  8,99  10 16 =1,49  10 -10 дж=931 Мэв. (1.3)

Наличие у атома гелия дефекта массы (m = 0,03037 а.е.м.) означает, что при его образовании была излучена энергия (Е=mс 2 = 0,03037 931=28 Мэв). Именно эту энергию нужно приложить к ядру атома гелия для того, чтобы разложить его на отдельные частицы. Соответственно на одну частицу приходится энергия, в четыре раза меньшая. Эта энергия характеризует прочность ядра и является важной его характеристикой. Её называют энергией связи, приходящейся на одну частицу или на один нуклон (р). Для ядра атома гелия р=28/4=7 Мэв, для других ядер она имеет иную величину.

В

сороковые годы ХХ века благодаря работам Астона, Демпстера и других ученых с большой точностью были определены значения дефекта массы и вычислены энергии связи для ряда изотопов. На рис.1.1 эти результаты представлены в виде графика, на котором по оси абсцисс отложен атомный вес изотопов, а по оси ординат – средняя энергия связи частицы в ядре.

Анализ этой кривой интересен и важен, т.к. по ней, и очень наглядно, видно, какие ядерные процессы дают большой выход энергии. По существу ядерная энергетика Солнца и звёзд, атомных электростанций и ядерного оружия является реализацией возможностей, заложенных в тех соотношениях, которые показывает эта кривая. Она имеет несколько характерных участков. Для лёгкого водорода
энергия связи равна нулю, т.к. в его ядре всего одна частица. Для гелия
энергия связи на одну частицу составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода к гелию связан с крупным энергетическим скачком. У изотопов среднего атомного веса: железа, никеля и др. энергия связи частицы в ядре наибольшая (8,6 Мэв) и соответственно ядра этих элементов наиболее прочные. У более тяжёлых элементов энергия связи частицы в ядре меньше и поэтому их ядра относительно менее прочные. К таким ядрам относится и ядро атома урана-235.

Чем больше дефект массы ядра, тем большая энергия излучена при его образовании. Следовательно, ядерное превращение, при котором происходит увеличение дефекта массы, сопровождается добавочным излучением энергии. Рисунок 1.1 показывает, что имеются две области, в которых эти условия выполняются: переход от самых лёгких изотопов к более тяжёлым, например, от водорода к гелию, и переход от самых тяжёлых, например урана, к ядрам атомов среднего веса.

Так же есть часто используемая величина, несущая в себе ту же информацию, что и дефект масс – упаковочный коэффициент (или множитель). Упаковочный коэффициент характеризует стабильность ядра, его график представлен на рисунке 1.2.

Р

ис. 1.2. Зависимость упаковочного коэффициента от массового числа

§ 2. Масс-спектроскопические методы измерения

масс и аппаратура.

Наиболее точные измерения масс нуклидов, произведенные методом дублетов и использованные для вычисления масс, были выполнены на масс-спектроскопах с двойной фокусировкой и на динамическом приборе – синхрометре.

Один из советских масс-спектрографов с двойной фокуси­ровкой типа Бейнбриджа – Иордана был построен М. Арденне, Г. Егером, Р. А. Демирхановым, Т. И. Гуткиным и В. В. Доро­ховым. Все масс-спектроскопы с двойной фокусировкой имеют три основные части: источник ионов, электро-статический анализатор и магнитный анализатор. Электростатический анали-затор разлагает пучок ионов по энергиям в спектр, из кото­рого щель вырезает некоторую центральную часть. Магнитный анализатор фокусирует ионы раз-ной энергии в одной точке, так как ионы с разной энергией проходят в секторном магнитном поле различные пути.

Масс-спектры регистрируются на фотопластинках, располо­женных в фото-камере. Шкала прибора почти в точности линей­ная, и при определении диспер-сии в центре пластины нет необ­ходимости применять формулу с поправочным квадратичным членом. Средняя разрешающая способность около 70 000.

Другой отечественный масс-спектрограф сконструирован В. Шютце при участии Р. А. Демирханова, Т. И. Гуткина, О. А. Самадашвили и И. К. Карпенко. На нем выполнены измерения масс нуклидов олова и сурьмы, результаты кото­рых использованы в таблицах масс. Этот прибор имеет квадра­тичную шкалу и обеспечивает двойную фокусировку для всей шкалы масс. Средняя разрешающая способность прибора около 70 000.

Из зарубежных масс-спектроскопов с двойной фокусировкой наиболее точным является новый масс-спектрометр Нира – Робертса с двойной фокусировкой и новым методом регистрации ионов (рис. 2.1). Он имеет 90-градусный электростатический анализатор с радиусом кривизны R e =50,8 см и 60-градусный магнитный анализатор с радиусом кривизны оси ионного пучка R

m =40,6 см.

Рис. 2.1. Большой масс-спектрометр Нира – Робертса с двойной фо­кусировкой Миннесстского университета:

1 – источник ионов; 2 – электростатический анализатор; 3 – магнитный анализатор; 4 – электронный умножитель для регистрации тока; S 1 – вход­ная щель; S 2 – апертурная щель; S 3 – щель в плоскости изображения элек­тростатического анализатора; S 4 – щель в плоскости изображения маг­нитного анализатора.

Полученные в источнике ионы ускоряются разностью потенциалов U a =40 кв и фокусируются на входной щели S 1 шириной около 13 мкм; такова же ширина щели S 4 , на которую проекти­руется изображение щели S 1 . Апертурная щель S 2 имеет шири­ну около 200 мкм, щель S 3 , на которую электростатическим анализатором проектируется изображение щели S 1 , имеет ширину около 400 мкм. За щелью S 3 расположен зонд, облегчающий подбор отношений U a /U d , т. е. ускоряющего потенциала U a источника ионов и потенциалов анализатора U d .

На щель S 4 магнитным анализатором проектируется изобра­жение источника ионов. Ионный ток силой 10­­ – 12 – 10 – 9 а регист­рируется электронным умножителем. Можно регулировать ши­рину всех щелей и перемещать их снаружи, не нарушая ваку­ума, что облегчает юстировку прибора.

Существенное отличие этого прибора от предыдущих – при­менение осциллографа и развертывание участка спектра масс, впервые примененное Смитом для синхрометра. При этом пило­образные импульсы напряжения используются -одновременно для перемещения луча в трубке осциллографа и для модуляции магнитного поля в анализаторе. Глубина модуляции подбирает­ся такой, чтобы масс-спектр развертывался у щели примерно на удвоенную ширину одной линии дублета. Это мгновенное раз­вертывание пика массы сильно облегчает фокусировку.

Как известно, если масса иона М изменилась на ΔМ, то для того чтобы траектория иона в данном электромагнитном поле осталась прежней, следует все электрические потенциалы изме­нить в ΔМ/М раз. Таким образом, для перехода от одной легкой составляющей дублета с массой М к другой составляющей, имеющей массу на ΔM большую, необходимо первоначальные разности потенциалов, приложенные к анализатору U d , и к источ­нику ионов U a , изменить соответственно на ΔU d и ΔU a так, чтобы

(2.1)

Следовательно, разность масс ΔM дублета можно измерить по разности потенциалов ΔU d , необходимой для того, чтобы сфоку­сировать вместо одной составляющей дублета другую.

Разность потенциалов подается и измеряется по схеме изоб­раженной на рис. 2.2. Все сопротивления, кроме R*, манганино­вые, эталонные, заключены в термостат. R= R" =3 371 630 ± 65 ом. ΔR может изменяться от 0 до 100000 Oм, так что отношение ΔR/R известно с точностью до 1/50000. Сопротивление ΔR по­добрано так, что при положении реле, включенном на контакт А, на щели S 4 , оказывается сфокусированной одна линия дубле­та, а при положении реле на контакт В – другая линия дублета. Реле – быстродействующее, переключается после каждого цикла развертывания в осциллографе, поэтому на экране можно видеть одновременно развертки обеих линий дублета. Измене­ние потенциала ΔU d , вызванное добавочным сопротивлением ΔR, можно считать подобранным, если обе развертки совпада­ют. При этом другая аналогичная схема с синхронизированным реле должна обеспечить изменение ускоряющего напряжения U а на ΔU a так, чтобы

(2.2)

Тогда разность масс дублета ΔM можно определить по диспер­сионной формуле

(2.3)

Частота развертки обычно довольно велика (например, 30 сек -1), поэтому шумы источников напряжения должны быть минимальны, но длительная устойчивость не обязательна. В этих условиях идеальным источником являются батареи.

Разрешающая сила синхрометра ограничена требованием сравнительно больших ионных токов, так как частота развертки велика. В данном приборе наибольшее значение разрешающей силы – 75000, но, как правило, оно меньше; наименьшее значе­ние – 30000. Такая разрешающая сила позволяет отделить основные ионы от ионов примесей почти во всех случаях.

При измерениях считалось, что погрешность состоит из ста­тистической погрешности и погрешности, вызванной неточно­стью калибровки сопротивлений.

Перед началом работы спектрометра и при определении раз­личных разностей масс проводили серию контрольных измере­ний. Так, через определенные промежутки времени работы при­бора измерялись контрольные дублеты O 2 – S и C 2 H 4 – СО, в результате чего было установлено, что в течение нескольких месяцев никаких изменений не произошло.

Для проверки линейности шкалы одну и ту же разность масс определяли при разных массовых числах, например по дублетам СН 4 – О, С 2 Н 4 – СО и Ѕ(C 3 H 8 – CO 2). В результа­те этих контрольных измерений были получены значения, отлича­ющиеся друг от друга лишь в пределах погрешностей. Эта проверка была проделана для четырех разностей масс, и согласие получилось очень хорошее.

Правильность результатов измерений подтвердилась также измерением трех разностей масс триплетов. Алгебраическая сумма трех разностей масс в триплете должна быть равна нулю. Результаты таких измерений для трех триплетов при разных массовых числах, т. е. в разных частях шкалы, оказались удов­летворительными.

Последним и очень важным контрольным измерением для проверки правильности дисперсионной формулы (2.3) было измерение массы атома водорода при больших массовых чис­лах. Это измерение проделали один раз для А =87, как разность масс дублета C 4 H 8 O 2 – С 4 Н 7 O 2 . Результаты 1,00816±2 а. е. м. с погрешностью до 1/50000 согласуются с измеренной массой Н, равной 1,0081442±2 а. е. м., в пределах погрешности измерения сопротивления ΔR и погрешности калибровки сопротивлений для этой части шкалы.

Все эти пять серий контрольных измерений показали, что формула дисперсии пригодна для данного прибора, а результа­ты измерений достаточно надежны. Данные измерений, выпол­ненных на этом приборе, были исполь­зованы для составления таблиц.

§ 3. Полуэмпирические формулы для вычисления масс ядер и энергий связи ядер.

п.3.1. Старые полуэмпирические формулы.

По мере развития теории строения ядра и появления различных моделей ядра возникли попытки создания формул для вычисления масс ядер и энергий связи ядер. Эти формулы основываются на существующих теоретических представлениях о строении ядра, но при этом коэффициенты в них вычисляются из найденных экспериментальных масс ядер. Такие формулы частично основанные на теории и частично выведенные из опытных данных, называют полуэмпирическими формулами.

Полуэмпирическая формула масс имеет вид:

M(Z, N)=Zm H +Nm n -E B (Z, N), (3.1.1)

где M(Z, N) – масса нуклида с Z протонами и N – нейтронами; m H – масса нуклида Н 1 ; m n – масса нейтрона; E B (Z, N) – энергия связи ядра.

Эта формула, основанная на статистической и капельной моделях ядра, предложена Вейцзекером. Вейцзекер перечислил известные из опыта закономерности изменения масс:

Энергии связи легчайших ядер возрастают очень быстро с массовыми числами.

Энергии связи Е В всех средних и тяжёлых ядер возрастают приблизительно линейно с массовыми числами А.

Средние энергии связи на один нуклон Е В /А лёгких ядер возрастают до А≈60.

Средние энергии связи на один нуклон Е В /А более тяжёлых ядер после А≈60 медленно убывают.

Ядра с чётным числом протонов и чётным числом нейтронов имеют несколько большие энергии связи, чем ядра с нечётным числом нуклонов.

Энергия связи стремится к максимуму для случая, когда числа протонов и нейтронов в ядре равны.

Вейцзекер учёл эти закономерности при создании полуэмпирической формулы энергии связи. Бете и Бечер несколько упростили эту формулу:

E B (Z, N)=E 0 +E I +E S +E C +E P . (3.1.2)

и её часто называют формулой Бете-Вейцзекера. Первый член Е 0 – часть энергии, пропорциональная числу нуклонов; Е I – изотопический или изобарный член энергии связи, показывающий, как изменяется энергия ядер при отклонении от линии наиболее устойчивых ядер; Е S – поверхностная или свободная энергия капли нуклонной жидкости; Е С – кулоновская энергия ядра; Е Р – парная энергия.

Первый член равен

Е 0 = αА. (3.1.3)

Изотопический член Е I есть функция разности N–Z. Т.к. влияние электрического заряда протонов предусматривается членом Е С, Е I есть следствие только ядерных сил. Зарядовая независимость ядерных сил, особенно сильно ощущаемая в лёгких ядрах, приводит к тому, что ядра наиболее устойчивы при N=Z. Так как уменьшение устойчивости ядер не зависит от знака N–Z, зависимость Е I от N–Z должна быть по меньшей мере квадратичной. Статистическая теория даёт следующее выражение:

Е I = –β(N–Z) 2 А –1 . (3.1.4)

Поверхностная энергия капли с коэффициентом поверхностного натяжения σ равна

Е S =4πr 2 σ. (3.1.5)

Кулоновский член есть потенциальная энергия шара, заряженного равномерно по всему объёму зарядом Ze:

(3.1.6)

Подставив в уравнения (3.1.5) и (3.1.6) радиус ядра r=r 0 A 1/3 , получим

(3.1.8)

а подставив (3.1.7) и (3.1.8) в (3.1.2), получим

Постоянные α, β и γ подбирают такими, чтобы формула (3.1.9) лучшим образом удовлетворяла всем значениям энергий связи, вычисленным по экспериментальным данным.

Пятый член, представляющий парную энергию, зависит от четности числа нуклонов:

Ферми уточнил также постоянные по новым экспериментальным данным. Полуэмпирическая формула Бете-Вейцзекера, выражающая массу нуклида в старых единицах (16 О=16), получилась такой:

M(A, Z) = 0,99391A – 0,00085 + 0,014A 2/3 +

0,083(A/2 – Z) 2 A -1 + 0,000627Z 2 A -1/3 + π0,036A -3/4

К сожалению, эта формула весьма устарела: расхождения с действительными величинами масс может достигать даже 20 Мэв и имеет среднее значение около 10 Мэв.

В многочисленных дальнейших работах первоначально лишь уточняли коэффициенты или вводили некоторые не слишком важные дополнительные члены. Метрополис и Рейтвизнер еще раз уточнили формулу Бете–Вейцзекера:

M(A, Z) = 1,01464A + 0,014A 2/3 + +0,041905
+ π0,036A -3/4

Для четных нуклидов π = –1; для нуклидов с нечетным А π = 0; для нечетных нуклидов π = +1.

Вапстра предложил учитывать влияние оболочек с помощью члена такого вида:

(3.1.13)

где A i , Z i и W i – эмпирические постоянные, подбираемые по опытным данным для каждой оболочки.

Грин и Эдварс ввели в формулу масс следующий член, характеризующий влияние оболочек:

где α i , α j и K ij – постоянные, полученные из опыта; и – средние значения N и Z в данном интервале между заполненными оболочками.

п.3.2. Новые полуэмпирические формулы с учетом влияния оболочек

Камерон исходил из формулы Бете-Вейцзекера и со­хранил два первых члена формулы (3.1.9). Член, выражающий поверхностную энергию E S (3.1.7), был изменен.

Рис. 3.2.1. Распределение плотности ядерной мате­рии ρ по Камерону в зависимости от расстоя­ния до центра ядра. А-средний радиус ядра; Z - половина толщины поверхностного слоя ядра.

При рассмотрении рассеяния элек­тронов на ядрах, можно сделать вывод, что распределение плотности ядерной материи в ядре ρ n трапециеобразно (рис. 16). За средний радиус ядра т можно принять расстояние от центра до точки, где плотность убывает вдвое (см. рис. 3.2.1). В результате обработки опытов Хофштедтера. Камерон предложил такую формулу для среднего радиуса ядер:

Он считает, что поверхностная энергия ядра пропорциональна квадрату среднего радиуса r 2 , и вводит поправку, предложен­ную Финбергом, учитывающую симметрию ядра. По Каме­рону, поверхностную энергию можно выразить так:

Ч

етвертый, кулоновский, член формулы (3.1.9) также был исправлен в связи с трапецеидальным распределением плотно­сти ядра. Выражение для кулоновского члена имеет вид

К
роме того. Камерон ввел пятый кулоновский обменный член, характеризующий корреляцию в движении протонов в ядре и малую вероятность сближения протонов. Обменный член

Таким образом, избыток масс, по Камерону, выразится так:

М - А = 8,367А - 0,783Z + αА +β
+

Е S + E C + Е α = П (Z, N). (3.2.5)

Подставив экспериментальные значения М-А методом наи­меньших квадратов получили следующие наиболее надежные значения эмпирических коэффициентов (в Мэв):

α=–17,0354; β=– 31,4506; γ=25,8357; φ=44,2355. (3.2.5а)

С помощью этих коэффициентов были вычислены массы. Рас­хождения между вычисленными и экспериментальными массами показаны на рис. 3.2.2. Как можно заметить, в некоторых случаях расхождения достигают 8 Мэв. Особенно велики они у нукли-дов с замкнутыми оболочками.

Камерон ввел дополнительные слагаемые: член, учитываю­щий влияние ядерных оболочек S(Z, N), и член P(Z, N), харак­теризующий парную энергию и учитывающий изменение массы в зависимости от четности N и Z:

М-А=П(Z, N)+S(Z, N)+P(Z, N). (3.2.6)

Рис. 3.2.2. Разности между значениями масс, вычисленными по основной формуле Камерона (3.2.5), и эксперименталь­ными значениями тех же масс в зависимости от массового числа А.

При этом, т.к. теория не может предложить вида членов, который отражал бы некоторые скачкообразные изменения масс, он объединил их в одно выражение

T(Z, N)=T(Z) +T(N). (3.2.8)

Это разумное предложение, так как опытные данные подтверж­дают, что протонные оболочки заполняются независимо от ней­тронных и парные энергии для протонов и нейтронов в первом приближении можно считать независимыми.

На основании таблиц масс Вапстра и Хьюзенга Ка­мерон составил таблицы поправок T(Z) и T(N) на четность и заполнение оболочек.

Г. Ф. Драницына, использовав новые измерения масс Бано, Р. А. Демирханова и много­численные новые измерения β- и α-распадов, уточнила значения поправок T(Z) и T(N) в области редких земель от Ва до Pb. Она составила новые таблицы избытков масс (М-А), вычис­ленных по исправленной формуле Камерона в этой области. В таблицах приведены также вычисленные заново энергии β-распадов нуклидов в той же области (56≤Z≤82).

Старые полуэмпирические формулы, охватывающие весь диапазон А, оказываются слишком неточными и дают очень большие расхождения с измеренными массами (порядка 10 Мэв). Создание Камероном таблиц с более чем 300 поправ­ками уменьшило расхождение до 1 Мэв, но расхождения все же в сотни раз превышают погрешности измерений масс и их разностей. Тогда появилась идея разбить всю область нуклидов на подобласти и для каждой из них создать полуэм­пирические формулы ограниченного применения. Такой путь и избрал Леви, который вместо одной формулы с универсаль­ными коэффициентами, пригодными для всех А и Z, пред­ложил формулу для отдельных участков последовательности нуклидов.

Наличие параболической зависимости от Z энергии связи нуклидов изобар требует, чтобы в формуле содержались члены до второй степени включительно. Поэтому Леви предложил такую функцию:

М(А, Z)=α 0 + α 1 А+ α 2 Z+ α 3 АZ+ α 4 Z 2 + α 5 А 2 +δ; (3.2.9)

где α 0 , α 1 , α 2 , α 3 , α 4 , α 5 – численные коэффициенты, найденные по опытным данным для некоторых интервалов, а δ - член, учитывающий спаривание нуклонов и зависящий от четности N и Z.

Все массы нуклидов разбили на девять подобластей, огра­ниченных ядерными оболочками и подоболочками, и значения всех коэффициентов формулы (3.2.9) вычислили по экспери­ментальным данным для каждой из этих подобластей. Значения найденных коэффициентов та и члена δ, определяемого чет­ностью, приведены в табл. 3.2.1 и 3.2.2. Как видно из таблиц, были учтены не только оболочки из 28, 50, 82 и 126 протонов или ней­тронов, но и подоболочки из 40, 64 и 140 протонов или нейтро­нов.

Таблица 3.2.1

Коэффициенты α в формуле Леви (3.2.9), ма. е. м (16 О =16)

По формуле Леви с этими коэффициентами (см. табл. 3.2.1 и 3.2.2) Риддель вычислил на электронно-счетной машине таблицу масс примерно для 4000 нуклидов. Сравнение 340 экспери­ментальных значений масс с вычисленными по формуле (3.2.9) показало хорошее согласие: в 75% случаев расхождение не пре­вышает ±0,5 ма. е. м., в 86% случаев-не больше ±1,0мa.e.м. и в 95% случаев оно не выходит за пределы ±1,5 ма. е. м. Для энергии β-распадов согласие еще лучше. При этом количе­ство коэффициентов и постоянных членов у Леви всего 81, а у Камерона их более 300.

Поправочные члены T(Z) и T(N) в формуле Леви заменены на отдельных участках между оболочками квадратичной функ­цией от Z или N. В этом нет ничего удивительного, так как между оболочками функции T(Z) и T(N) являются плавными функциями Z и N и не имеют особенностей, не позволяющих представить их на этих участках многочленами второй степени.

Зелдес рассматривает теорию ядерных оболочек и при­меняет новое квантовое число s-так называемое старшин­ство (seniority), введенное Рака. Квантовое число “стар­шинство" не является точным квантовым числом; оно совпадает с числом неспаренных нуклонов в ядре или, иначе, равно числу всех нуклонов в ядре за вычетом числа спаренных нуклонов с нулевым моментом. В основном состоянии во всех четных ядрах s=0; в ядрах с нечетным A s=1 и в нечетных ядрах s=2. Используя квантовое число “старшинство” и предельно ко­роткодействующие дельта-силы, Зелдес показал, что формула типа (3.2.9) соответствует теоретическим ожиданиям. Все коэф­фициенты формулы Леви были выражены Зелдесом через различные теоретические параметры ядра. Таким образом, хотя формула Леви появилась как чисто эмпирическая, результаты исследований Зелдеса показали, что ее вполне можно считать полуэмпирической, как и все предыдущие.

Формула Леви, по-видимому, лучшая из существующих, однако она имеет один существенный недостаток: она плохо применима на границе областей действия коэффициентов. Имен­но около Z и N, равных 28, 40, 50, 64, 82, 126 и 140, формула Леви дает самые большие расхождения, в особенности если по ней рассчитывать энергии β-распадов. Кроме того, коэффициен­ты формулы Леви вычислены без учета новейших значений масс и, по-видимому, должны быть уточнены. По мнению Б. С. Джелепова и Г. Ф. Драницыной, при этом вычислении следует уменьшить число подобластей с разными наборами коэффи­циентов α и δ, отбросив подоболочки Z=64 и N=140.

Формула Камерона содержит много постоянных. Этим же недостатком страдает и формула Бекеров. В первом варианте формулы Бекеры, исходя из того, что ядерные силы короткодействующие и обладают свойством насыщения, предположили, что ядро следует разделить на внешние нуклоны и внутреннюю часть, содержащую заполненные оболочки. Они приняли, что внешние нуклоны не взаимодействуют друг с дру­гом, не считая энергии, выделяющейся при образовании пар. Из этой простой модели следует, что нуклоны одинаковой чет­ности имеют энергию связи, вызванную связью с сердцевиной, зависящую только от избытка нейтронов I=N–Z. Таким обра­зом, для энергии связи предложен первый вариант формулы

Е B =b"(I)А+а" (I)+P" (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S"(A, I)+R"(A, I), (3.2.10)

где Р"-член, учитывающий эффект спаривания, зависящий от четности N и Z; S"-поправка на эффект оболочек; R"-малый остаток.

В этой формуле существенно предположение, что энергия связи на один нуклон, равная b", зависит только от избытка нейтронов I. Это означает, что сечения энергетической поверх­ности по линиям I=N–Z, самые длинные сечения, содержащие 30-60 нуклидов, должны иметь одинаковый уклон, т.е. должны характеризоваться прямой линией. Опытные данные подтверждают довольно хорошо это предположение. В дальнейшем Бекеры дополнили эту формулу еще одним членом:

Е B =b(I)А+а(I)+c(A)+P (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S(A, I)+R(A, I). (3.2.11)

Сравнивая значения, полученные по этой формуле, с экспериментальными значениями масс Вапстра и Хьюзенга и урав­нивая их по методу наименьших квадратов, Бекеры получили ряд значений коэффициентов b и а для 2≤I≤58 и 6≤A≤258, т. е. более 400 цифровых постоянных. Для членов Р, учитываю­щих четность N и Z, они также приняли набор некоторых эмпи­рических значений.

Чтобы уменьшить число постоянных, были предложены фор­мулы, в которых коэффициенты а, b и с представлены в виде функций от I и А. Однако вид этих функций весьма сложен, например функция b(I) есть полином пятой степени от I и содержит, кроме того, два члена с синусом.

Таким образом, эта формула оказалась не проще формулы Камерона. По утверждению Бекеров, она дает значения, рас­ходящиеся с измеренными массами для легких нуклидов не бо­лее ±400 кэв, а для тяжелых (A>180) не более ±200 кэв. У оболочек в отдельных случаях расхождение может достигать ± 1000 кэв. Недостаток работы Бекеров - отсутствие таблиц масс, вычисленных по этим формулам.

В заключение, подводя итоги, следует отметить, что сущест­вует очень большое число полуэмпирических формул разного качества. Несмотря на то, что первая из них, формула Бете- Вейцзекера, как будто устарела, она продолжает входить как составная часть почти во все самые новые формулы, кроме формул типа Леви - Зелдеса. Новые формулы достаточно слож­ны и вычисление по ним масс довольно трудоемко.

Методы защиты природной среды от загрязнений; 2) использование возобновляемых источников энергии (солнечного излучения, внутренней энергии Земли, энергии ветра, морских приливов и отливов). При рассмотрении вопросов экологии ученики должны получить представление и о том, что проблема охраны природы не может быть решена только на основе достижений естественных наук и техники, изменений...

Для того чтобы разбить ядро на отдельные, не взаимодействующие между собой (свободные) нуклоны, необходимо произвести работу по преодолению ядерных сил, т. е. сообщить ядру определённую энергию. Наоборот, при соединении свободных нуклонов в ядро выделяется такая же энергия (по закону сохранения энергии).

• Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра

Каким же образом можно определить величину энергии связи ядра?

Наиболее простой путь нахождения этой энергии основан на применении закона о взаимосвязи массы и энергии, открытого немецким учёным Альбертом Эйнштейном в 1905 г.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Немецкий физик-теоретик, один из создателей современной физики. Открыл закон взаимосвязи массы и энергии, создал специальную и общую теории относительности

Согласно этому закону между массой m системы частиц и энергией покоя, т. е. внутренней энергией Е 0 этой системы, существует прямая пропорциональная зависимость:

где с - скорость света в вакууме.

Если энергия покоя системы частиц в результате каких-либо процессов изменится на величину ΔЕ 0 1 , то это повлечёт за собой соответствующее изменение массы этой системы на величину Δm, причём связь между этими величинами выразится равенством:

ΔЕ 0 = Δmс 2 .

Таким образом, при слиянии свободных нуклонов в ядро в результате выделения энергии (которая уносится излучаемыми при этом фотонами) должна уменьшиться и масса нуклонов. Другими словами, масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит.

Недостаток массы ядра Δm по сравнению с суммарной массой составляющих его нуклонов можно записать так:

Δm = (Zm p + Nm n) - М я,

где М я - масса ядра, Z и N - число протонов и нейтронов в ядре, а m p и m n - массы свободных протона и нейтрона.

Величина Δm называется дефектом массы. Наличие дефекта массы подтверждается многочисленными опытами.

Рассчитаем, например, энергию связи ΔЕ 0 ядра атома дейтерия (тяжёлого водорода), состоящего из одного протона и одного нейтрона. Другими словами, рассчитаем энергию, необходимую для расщепления ядра на протон и нейтрон.

Для этого определим сначала дефект массы Δm этого ядра, взяв приближённые значения масс нуклонов и массы ядра атома дейтерия из соответствующих таблиц. Согласно табличным данным, масса протона приблизительно равна 1,0073 а. е. м., масса нейтрона - 1,0087 а. е. м., масса ядра дейтерия - 2,0141 а. е. м. Значит, Δm = (1,0073 а. е. м. + 1,0087 а. е. м.) - 2,0141 а. е. м. = 0,0019 а. е. м.

Чтобы энергию связи получить в джоулях, дефект массы нужно выразить в килограммах.

Учитывая, что 1 а. е. м. = 1,6605 10 -27 кг, получим:

Δm = 1,6605 10 -27 кг 0,0019 = 0,0032 10 -27 кг.

Подставив это значение дефекта массы в формулу энергии связи, получим:

Энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в процессе любых ядерных реакций, можно рассчитать, если известны массы взаимодействующих и образующихся в результате этого взаимодействия ядер и частиц.

Вопросы

1. Что называется энергией связи ядра?
2. Запишите формулу для определения дефекта массы любого ядра.
3. Запишите формулу для расчёта энергии связи ядра.

1 Греческой буквой Δ («дельта») принято обозначать изменение той физической величины, перед символом которой эта буква ставится.

15. Примеры решения задач

1. Вычислить массу ядра изотопа .

Решение. Воспользуемся формулой

.

Атомная масса кислорода
=15,9949 а.е.м.;

т.е. практически весь вес атома сосредоточен в ядре.

2. Вычислить дефект массы и энергию связи ядра 3 Li 7 .

Решение. Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных (находящихся вне ядра) протонов и нейтронов, из которых ядро образовалось. Дефект массы ядра (m ) и есть разность между суммой масс свободных нуклонов (протонов и нейтронов) и массой ядра, т.е.

где Z – атомный номер (число протонов в ядре); А – массовое число (число нуклонов, составляющих ядро); m p , m n , m – соответственно массы протона, нейтрона и ядра.

В справочных таблицах всегда даются массы нейтральных атомов, но не ядер, поэтому формулу (1) целесообразно преобразовать так, чтобы в неё входила масса М нейтрального атома.

,

.

Выразив в равенстве (1) массу ядра по последней формуле, получим

,

Замечая, что m p +m e =M H , где M H – масса атома водорода, окончательно найдём

Подставив в выражение (2) числовые значения масс (согласно данным справочных таблиц), получим

Энергией связи
ядра называется энергия, которая в той или иной форме выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов.

В соответствии с законом пропорциональности массы и энергии

(3)

где с – скорость света в вакууме.

Коэффициент пропорциональности с 2 может быть выражен двояко: или

Если вычислить энергию связи, пользуясь внесистемными единицами, то

С учётом этого формула (3) примет вид

(4)

Подставив ранее найденное значение дефекта массы ядра в формулу (4), получим

3. Две элементарные частицы – протон и антипротон, имеющие массу по
кг каждый, соединяясь, превращаются в два гамма – кванта. Сколько при этом освобождается энергии?

Решение. Находим энергию гамма – кванта по формуле Эйнштейна
, где с – скорость света в вакууме.

4. Определить энергию, необходимую для разделения ядра 10 Ne 20 на ядро углерода 6 С 12 и две альфа-частицы, если известно, что удельные энергии связи в ядрах 10 Ne 20 ; 6 С 12 и 2 He 4 соответственно равны: 8,03; 7,68 и 7,07 МэВ на нуклон.

Решение. При образовании ядра 10 Ne 20 из свободных нуклонов выделилась бы энергия:

W Ne = W c у ·А = 8,03 20 = 160,6 МэВ.

Соответственно для ядра 6 12 С и двух ядер 2 4 He:

W с = 7,68 ·12 = 92,16 МэВ,

W Не = 7,07· 8 = 56,56 МэВ.

Тогда при образовании 10 20 Ne из двух ядер 2 4 He и ядра 6 12 С выделилась бы энергия:

W = W Ne – W c – W He

W= 160,6 – 92,16 – 56,56 = 11,88 МэВ.

Такую же энергию необходимо затратить на процесс разделения ядра 10 20 Ne на 6 12 С и 2 2 4 H.

Ответ. E = 11,88 МэВ.

5 . Найти энергию связи ядра атома алюминия 13 Al 27 , найти удельную энергию связи.

Решение. Ядро 13 Al 27 состоит из Z=13 протонов и

A-Z = 27 - 13 нейтронов.

Масса ядра равна

m я = m ат - Z·m е = 27/6,02·10 26 -13·9,1·10 -31 = 4,484·10 -26 кг=

27,012 а.е.м.

Дефект массы ядра равен ∆m = Z·m p +(A-Z)·m n - m я

Численное значение

∆m = 13·1,00759 + 14×1,00899 - 26,99010 = 0,23443 а.е.м.

Энергия связи W св = 931,5·∆m = 931,5·0,23443 = 218,37 МэВ

Удельная энергия связи W уд = 218,37/27 = 8,08МэВ/нуклон.

Ответ: энергия связи W св = 218,37 МэВ; удельная энергия связи W уд = 8,08 МэВ/нуклон.

16. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют процессы превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.

При записи ядерной реакции слева пишется сумма исходных частиц, затем ставится стрелка, а за ней сумма конечных продуктов. Например,

Эту же реакцию можно записать в более короткой символической форме

При рассмотрении ядерных реакций используются точные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и другие. Если в качестве элементарных частиц в ядерной реакции фигурируют только нейтроны, протоны и γ – кванты, то в процессе реакции сохраняется и число нуклонов. Тогда должны соблюдаться баланс нейтронов и баланс протонов в начальном и конечном состояниях. Для реакции
получим:

Число протонов 3 + 1 = 0 + 4;

Число нейтронов 4 + 0 = 1 + 3.

Пользуясь этим правилом можно идентифицировать одного из участников реакции, зная остальных. Достаточно частыми участниками ядерных реакций являются α – частицы (
- ядра гелия), дейтроны (
- ядра тяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона по одному нейтрону) и тритоны (
- ядра сверхтяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона два нейтрона).

Разность энергий покоя начальных и конечных частиц определяет энергию реакции. Она может быть как больше нуля, так и меньше нуля. В более полной форме рассмотренная выше реакция записывается так:

где Q – энергия реакции. Для ее расчета с помощью таблиц свойств ядер сравнивают разность суммарной массы исходных участников реакции и суммарной массы продуктов реакции. Затем полученная разность масс (обычно выраженную в а.е.м.) пересчитывается в энергетические единицы (1 а.е.м. соответствует 931,5 МэВ).

17. Примеры решения задач

1. Определить неизвестный элемент, образующийся при бомбардировке ядер изотопов алюминия Аl -частицами, если известно, что один из продуктов реакции нейтрон.

Решение. Запишем ядерную реакцию:

Al + 
X + n.

По закону сохранения массовых чисел: 27+4 = А+1 . Отсюда массовое число неизвестного элемента А = 30 . Аналогично по закону сохранения зарядов 13+2 = Z+0 и Z = 15.

Из таблицы Менделеева находим, что это изотоп фосфораР .

2. Какая ядерная реакция записана уравнением

?

Решение. Числа, стоящие около символа химического элемента означают: внизу – номер данного химического элемента в таблице Д.И.Менделеева (или заряд данной частицы), а вверху – массовое число, т.е. количество нуклонов в ядре (протонов и нейтронов вместе). По таблице Менделеева замечаем, что на пятом месте находится элемент бор В, на втором – гелий Не, на седьмом =- азот N. Частица - нейтрон. Значит, реакцию можно прочитать так: ядро атома бора с массовым числом 11 (бор-11) после захвата
- частицы (одно ядро атома гелия) выбрасывает нейтрон и превращается в ядро атома азота с массовым числом 14 (азот-14).

3. При облучении ядер алюминия – 27 жесткими – квантами образуются ядра магния – 26. Какая частица выделяется в этой реакции? Написать уравнение ядерной реакции.

Решение.

По закону сохранения заряда: 13+0=12+Z;

4. При облучении ядер некоторого химического элемента протонами образуются ядра натрия – 22 и - частицы (по одной на каждый акт превращения). Какие ядра облучались? Написать уравнение ядерной реакции.

Решение. По периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева:

По закону сохранения заряда:

По закону сохранения массового числа:

5 . При бомбардировке изотопа азота 7 N 14 нейтронами получается изотоп углерода 6 C 14 , который оказывается β-радиоактивным. Написать уравнения обеих реакций.

Решение . 7 N 14 + 0 n 1 → 6 C 14 + 1 H 1 ; 6 C 14 → -1 e 0 + 7 N 14 .

6. Стабильным продуктом распада 40 Zr 97 является 42 Mo 97 . В результате каких радиоактивных превращений 40 Zr 97 он образуется?

Решение. Запишем две реакции β-распада, происходящие последовательно:

1) 40 Zr 97 →β→ 41 X 97 + -1 e 0 , X ≡ 41 Nb 97 (ниобий),

2) 41 Nb 97 →β→ 42 Y 97 + -1 e 0 , Y ≡ 42 Mo 97 (молибден).

Ответ : в результате двух β-распадов из атома циркония образуется атом молибдена.

18. Энергия ядерной реакции

Энергия ядерной реакции (или тепловой эффект реакции)

где
- сумма масс частиц до реакции,
- сумма масс частиц после реакции.

Если
, реакция называется экзоэнергетической, так как идет с выделением энергии. При Q < 0 реакция называется эндоэнергетической и для ее возбуждения необходимо затратить энергию (например, ускорить частицы, т.е. сообщить им достаточную кинетическую энергию).

Деление ядра нейтронами – экзоэнергетическая реакция , при которой ядро, захватывая нейтрон, расщепляется на два (изредка – на три) большей частью неравных радиоактивных осколка, испуская вместе с этим гамма – кванты и 2 – 3 нейтрона. Эти нейтроны, при наличии вокруг достаточного количества делящегося вещества, могут, в свою очередь, вызывать деление окружающих ядер. В этом случае возникает цепная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Энергия выделяется за счет того, что делящееся ядро обладает или очень малым дефектом массы, или даже избытком массы вместо дефекта, что и является причиной неустойчивости таких ядер по отношению к делению.

Ядра – продукт деления – обладают значительно большими дефектами массы, вследствие чего в рассматриваемом процессе происходит выделение энергии.

19. Примеры решения задач

1. Какая энергия соответствует 1 а.е.м.?

Решение . Так как m= 1 а.е.м.= 1,66 ·10 -27 кг, то

Q = 1,66 ·10 -27 (3·10 8) 2 =14,94·10- 11 Дж ≈ 931 (МэВ).

2. Написать уравнение термоядерной реакции и определить ее энергетический выход, если известно, что при слиянии двух ядер дейтерия образуется нейтрон и неизвестное ядро.

Решение.

по закону сохранения электрического заряда:

1 + 1=0+Z; Z=2

по закону сохранения массового числа:

2+2=1+A; A=3

энергия выделяется,

=- 0,00352 а.е.м.

3. При делении ядра урана – 235 в результате захвата медленного нейтрона образуются осколки: ксенон – 139 и стронций – 94. Одновременно выделяются три нейтрона. Найти энергию, освобождающуюся при одном акте деления.

Решение. Очевидно, что при делении сумма атомных масс результирующих частиц меньше суммы масс исходных частиц на величину

Предполагая, что вся освобождающаяся при делении энергия переходит в кинетическую энергию осколков, получаем после подстановки числовых значений:

4. Какое количество энергии выделяется в результате термоядерной реакции синтеза 1 г гелия из дейтерия и трития?

Решение . Термоядерная реакция синтеза ядер гелия из дейтерия и трития протекает по следующему уравнению:

.

Определим дефект массы

m=(2,0474+3,01700)-(4,00387+1,0089)=0,01887(а.е.м.)

1 а.е.м. соответствует энергия 931 МэВ, следовательно, энергия, выделившаяся при синтезе атома гелия,

Q=931.0,01887(МэВ)

В 1 г гелия содержится
/А атомов, где – число Авогадро; А – атомный вес.

Полная энергия Q= (/А)Q; Q=42410 9 Дж.

5 . При соударении -частицы с ядром бора 5 В 10 произошла ядерная реакция, в результате которой образовалось ядро атома водорода и неизвестное ядро. Определить это ядро и найти энергетический эффект ядерной реакции.

Решение. Запишем уравнение реакции:

5 В 10 + 2 Не 4
1 Н 1 + z Х А

Из закона сохранения числа нуклонов следует, что:

10 + 4 + 1 + А; А = 13

Из закона сохранения заряда следует, что:

5 + 2 = 1 +Z; Z = 6

По таблице Менделеева находим, что неизвестное ядро есть ядро изотопа углерода 6 С 13 .

Энергетический эффект реакции рассчитаем по формуле (18.1). В данном случае:

Массы изотопов подставим из таблицы (3.1):

Ответ: z Х А = 6 С 13 ; Q = 4,06 МэВ.

6. Какое количество теплоты выделилось при распаде 0,01 моля - радиоактивного изотопа за время, равное половине периода полураспада? При- распаде ядра выделяется энергия 5,5 МэВ.

Решение. Согласно закону радиоактивного распада:

=
.

Тогда, число распавшихся ядер равно:

.

Так как
ν 0 , то:

.

Поскольку при одном распаде выделяется энергия равная Е 0 = 5,5 МэВ = 8,8·10 -13 Дж, то:

Q = E o N p = N A  o E o (1 -
),

Q = 6,0210 23 0,018,810 -13 (1 -
) = 1,5510 9 Дж

Ответ: Q = 1,55 ГДж.

20. Реакция деления тяжелых ядер

Тяжелые ядра при взаимодействии с нейтронами могут разделяться на две приблизительно равные части – осколки деления. Такая реакция называется реакцией деления тяжелых ядер , например

В этой реакции наблюдается размножение нейтронов. Важнейшей величиной является коэффициент размножения нейтронов k . Он равен отношению общего числа нейтронов в каком-либо поколении к породившему их общему числу нейтронов в предыдущем поколении. Таким образом, если в первом поколении было N 1 нейтронов, то их число в n-м поколении будет

N n = N 1 k n .

При k =1 реакция деления стационарна, т.е. число нейтронов во всех поколениях одинаково – размножения нейтронов нет. Соответствующее состояние реактора называется критическим.

При k >1 возможно образование цепной неуправляемой лавинообразной реакции, что и происходит в атомных бомбах. В атомных станциях поддерживается управляемая реакция, в которой за счет графитовых поглотителей число нейтронов поддерживается на некотором постоянном уровне.

Возможны ядерные реакции синтеза или термоядерные реакции, когда из двух легких ядер образуется одно более тяжелое ядро. Например, синтез ядер изотопов водорода – дейтерия и трития и образование ядра гелия:

При этом выделяется 17,6 МэВ энергии, что примерно в четыре раза больше из расчета на один нуклон, чем в ядерной реакции деления. Реакция синтеза протекает при взрывах водородных бомб. Более 40 лет ученые работают над осуществлением управляемой термоядерной реакции, которая открыла бы доступ человечеству к неисчерпаемой “кладовой” ядерной энергии.

21. Биологическое действие радиоактивных излучении

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка - это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия излучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

И элементарных частиц Энергия... Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной... видит. Так, невозможно понять атомное ядро Данилова"

Знаки внимания отклики отзывы рецензии

Документ

В душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной... видит. Так, невозможно понять атомное ядро , не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова" , которого наказали способностью чувствовать все...

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие – притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

· Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

· Энергия связи ядра определяется величиной той работы , которую нужно совершить , чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии .

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св – величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса

(9.2.1)

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро массой М яд образовано из Z протонов с массой m p и из (A – Z ) нейтронов с массой m n , то:

.

(9.2.2)

Вместо массы ядра М яд величину ∆m можно выразить через атомную массу М ат:

,

(9.2.3)

где m Н – масса водородного атома. При практическом вычислении ∆m массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.). Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (a.e.э.): 1 а.е.э. = 931,5016 МэВ.

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

.

(9.2.4)

Удельной энергией связи ядра ω св называется энергия связи , приходящаяся на один нуклон :

.

(9.2.5)

Величина ω св составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. На рис. 9.2 приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа A , характеризующая различную прочность связей нуклонов в ядрах разных химических элементов. Ядра элементов в средней части периодической системы (), т.е. от до , наиболее прочны.

В этих ядрах ω св близка к 8,7 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Ядра атомов химических элементов, расположенных в конце периодической системы (например ядро урана), имеют ω св ≈ 7,6 МэВ/нуклон. Это объясняет возможность выделения энергии при делении тяжелых ядер. В области малых массовых чисел имеются острые «пики» удельной энергии связи. Максимумы характерны для ядер с четными числами протонов и нейтронов ( , , ), минимумы – для ядер с нечетными количествами протонов и нейтронов ( , , ).

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию , то оно находится в основном энергетическом состоянии . Если ядро имеет энергию , то оно находится в возбужденном энергетическом состоянии . Случай соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны. В отличие от энергетических уровней атома, раздвинутых на единицы электронвольтов, энергетические уровни ядра отстоят друг от друга на мегаэлектронвольт (МэВ). Этим объясняется происхождение и свойства гамма-излучения.

Данные об энергии связи ядер и использование капельной модели ядра позволили установить некоторые закономерности строения атомных ядер.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров (). Условие минимума энергии ядра приводит к следующему соотношению между Z уст и А :

.

(9.2.6)

Берется целое число Z уст, ближайшее к тому, которое получается по этой формуле.

При малых и средних значениях А числа нейтронов и протонов в устойчивых ядрах примерно одинаковы: Z ≈ А – Z .

С ростом Z силы кулоновского отталкивания протонов растут пропорционально Z ·(Z – 1) ~ Z 2 (парное взаимодействие протонов ), и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно возрастать быстрее числа протонов.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.
Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.

Е связи = - А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов.

Удельная энергия связи

Это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Если не считать самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Максимальную удельную энергию связи (8,6МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

По мере перегрузки ядер нейтронами удельная энергия связи убывает.
Для элементов в конце таблицы Менделеева она равна 7,6 МэВ/нуклон (например для урана).

Выделение энергии в результате расщепления или синтеза ядра

Для того, чтобы расщепить ядро надо затратить определенную энергию для преодоления ядерных сил.
Для того, чтобы синтезировать ядро из отдельных частиц надо преодолеть кулоновские силы отталкивания (для этого надо затратить энергию, чтобы разогнать эти частицы до больших скоростей).
То есть, чтобы провести расщепление ядра или синтез ядра надо затратить какую-то энергию.

При синтезе ядра на малых расстояниях на нуклоны начинают действовать ядерные силы, которые побуждают их двигаться с ускорением.
Ускоренные нуклоны излучают гамма-кванты, которые и обладают энергией, равной энергии связи.

На выходе реакции расщепления ядра или синтеза энергия выделяется.

Есть смысл проводить расщепление ядра или синтез ядра, если получаемая, т.е. выделенная энергия в результате расщепления или синтеза, будет больше, чем затраченная
Согласно графику, выйгрыш в энергии можно получить или при делении (расщеплении) тяжелых ядер, или при при слиянии легких ядер, что и делается на практике.

Дефект масс

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.

При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.

При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра (из справочника)
Z – число протонов в ядре
mp – масса покоя свободного протона (из справочника)
N – число нейтронов в ядре
mn – масса покоя свободного нейтрона (из справочника)

Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.

Расчет энергии связи ядра

Энергия связи ядра численно равна работе, которую нужно затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, или энергии, выделяющейся при синтезе ядер из нуклонов.
Мерой энергии связи ядра является дефект массы.

Формула для расчета энергии связи ядра - это формула Эйнштейна:
если есть какая-то система частиц, обладающая массой, то изменение энергии этой системы приводит к изменению ее массы.

Здесь энергия связи ядра выражена произведением дефекта масс на квадрат скорости света.

В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы (а.е.м.)

в ядерной физике принято выражать энергию в электронвольтах (эВ):

Просчитаем соответствие 1 а.е.м. электронвольтам:

Теперь расчетная формула энергии связи (в электронвольтах) будет выглядеть так:

ПРИМЕР РАСЧЕТА энергии связи ядра атома гелия (Не)

>