Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.
Энергия связи ядер
Содержание:
- 14 марта 2023
- 8 минут
- 4438
Устойчивость атомных ядер основывается на действии неких колоссальных многократно превосходящих силы кулоновского отталкивания протонов сил, удерживающих нейтроны и протоны внутри ядра.
Ядерные силы превышают электростатические силы приблизительно в сотню раз и на десятки порядков обгоняют силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Короткодействующий характер ядерных сил представляет собой их крайне важную особенность. Опыты Резерфорда, направленные на изучение рассеяния -частиц показали, что обсуждаемый тип сил заметно проявляется только на расстояниях близких к размерам ядра, то есть на расстоянии в . На более протяженных расстояниях становится наблюдаемым действие сравнительно медленно спадающих кулоновских сил.
Основываясь на опытных данных, можно заявить, что протоны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя ровно так же, как и нейтроны. Из этого факта исходит вывод о том, что ядерные силы не имеют зависимости от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.
Дефект массы
Энергия связи каждого ядра может быть определена при помощи точного измерения его массы. В наше время физики обладают знаниями, позволяющими им измерять массы частиц, будь то электроны, протоны, нейтроны, ядра или что-то подобное, с чрезвычайно высокой точностью.
Благодаря дефекту массы, используя формулу Эйнштейна , можно высчитать энергию, выделившуюся при образовании приведенного ядра, то есть энергию связи ядра :
.
Данная энергия выделяется в процессе образования ядра в виде излучения -квантов.
В таблицах обычно указана удельная энергия связи, то есть, энергия связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи примерно равна . На рисунке проиллюстрирован график зависимости удельной энергии связи от массового числа . Как мы можем наблюдать на графике, удельная энергия связи нуклонов у различных атомных ядер разнится. В случае легких ядер удельная энергия связи изначально резко увеличивается от у дейтерия до у гелия . После ряда скачкообразных изменений удельная энергия медленно повышается до максимальной величины у элементов с массовым числом , а затем все так же медленно падает у тяжелых элементов. К примеру, у урана она равняется .
Рисунок Удельная энергия связи ядер.
Понижение удельной энергии связи в процессе перехода к тяжелым элементам основывается на повышении энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами слабеет, вследствие чего структура ядер теряет значительную часть своей прочности. Числа протонов и нейтронов выходят эквивалентными в случае стабильных легких ядер, когда роль кулоновского взаимодействия мала, в качестве примера можно привести , , . Под воздействием ядерных сил формируются протон-нейтронные пары. Однако тяжелым ядрам, содержащим немалое число протонов, по причине увеличения энергии кулоновского отталкивания для обеспечения устойчивости необходимы дополнительные нейтроны. На рисунке изображена диаграмма, демонстрирующая количество протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, идущих следом за висмутом , по причине большого числа протонов полная стабильность оказывается принципиально невозможной.
Рисунок Количество протонов и нейтронов в стабильных ядрах.
Ядерные превращения
На рисунке можно увидеть, что с энергетической точки зрения большей устойчивостью обладают ядра элементов из средней части системы Менделеева. Данный факт означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода в процессе ядерных превращений:
- Деление тяжелых ядер на более легкие.
- Слияние легких ядер в более тяжелые.
Оба приведенных процесса выделяют колоссальное количество энергии. В условиях современной физики, как деление тяжелых ядер на более легкие, так и слияние легких в тяжелые осуществлены на практике: реакции деления и термоядерные реакции.
Стоит отметить, что в сравнении с делением тяжелых элементов синтез легких провоцирует излучение энергии на один нуклон большее примерно в шесть раз.
Рисунок Модель энергии связи ядер.
Навигация по статьям