Энергия связи ядер. Дефект массы. Энергия связи и дефект массы ядра Как посчитать дефект масс

Нуклоны внутри ядра удерживаются ядерными силами. Их удерживает определенная энергия. Измерить эту энергию напрямую довольно сложно, однако можно сделать это косвенно. Логично предположить, что энергия, требующаяся для разрыва связи нуклонов в ядре, будет равна либо больше той энергии, которая удерживает нуклоны вместе.

Энергия связи и энергия ядра

Эту приложенную энергию уже легче измерить. Понятно, что эта величина будет очень точно отражать величину энергии, удерживающей нуклоны внутри ядра. Поэтому минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра .

Связь массы и энергии

Мы знаем, что любая энергия связана с массой тела прямо пропорционально. Поэтому естественно, что и энергия связи ядра будет зависеть от массы частиц, составляющих это ядро. Эту зависимость установил Альберт Эйнштейн в 1905 году. Она носит название закона о взаимосвязи массы и энергии. В соответствии с этим законом внутренняя энергия системы частиц или энергия покоя связана прямо пропорционально с массой частиц, составляющих эту систему:

где E – энергия, m – масса,
c – скорость света в вакууме.

Эффект дефекта масс

Теперь предположим, что мы разбили ядро атома на составляющие его нуклоны или же забрали некоторое количество нуклонов из ядра. На преодоление ядерных сил мы затратили некоторую энергию, так как совершали работу. В случае же обратного процесса – синтеза ядра, либо же добавления нуклонов к уже существующему ядру, энергия, по закону сохранения , наоборот, выделится. При изменении энергии покоя системы частиц вследствие каких-либо процессов, соответственно, изменяется их масса. Формулы в данном случае будут следующими:

∆m=(∆E_0)/c^2 или ∆E_0=∆mc^2,

где ∆E_0 – изменение энергии покоя системы частиц,
∆m – изменение массы частиц.

Например, в случае слияния нуклонов и образования ядра у нас происходит выделение энергии и уменьшение общей массы нуклонов. Масса и энергия уносятся выделяющимися фотонами. В этом заключается эффект дефекта масс . Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, составляющих это ядро. Численно дефект масс выражается следующим образом:

∆m=(Zm_p+Nm_n)-M_я,

где M_я – масса ядра,
Z – число протонов в ядре,
N – число нейтронов в ядре,
m_p – масса свободного протона,
m_n – масса свободного нейтрона.

Величина ∆m в двух приведенных выше формулах – это величина, на которую меняется суммарная масса частиц ядра при изменении его энергии вследствие разрыва или синтеза. В случае синтеза эта величина будет являться дефектом масс.

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)

Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию.

Энергия связи атомного ядра Е св характеризует интенсивность взаимодействия нуклонов в ядре и равна той максимальной энергии, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные невзаимодействующие нуклоны без сообщения им кинетической энергии. У каждого ядра своя энергия связи. Чем больше эта энергия, тем более устойчиво атомное ядро. Точные измерения масс ядра показывают, что масса покоя ядра m я всегда меньше суммы масс покоя, составляющих его протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы:

Именно эта часть массы Дт теряется при выделении энергии связи. Применяя закон взаимосвязи массы и энергии, получим:

где m н - масса атома водорода.

Такая замена удобна для проведения расчетов, и расчетная ошибка, возникающая при этом, незначительна. Если в формулу энергии связи подставить Дт в а.е.м. то для Е св можно записать:

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельная энергия связи Е уд - энергия связи ядра, приходящаяся на 1 нуклон:

На рис. 116 приведен сглаженный график экспериментально установленной зависимости Е уд от А.

Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Наибольшую удельную энергию связи имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60 (железо и близкие к нему элементы). Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

Из графика видно, что реакция деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части таблицы Д. Менделеева, а также реакции синтеза легких ядер (водород, гелий) в более тяжелые - энергетически выгодные реакции, так как они сопровождаются образованием более устойчивых ядер (с большими Е уд) и, следовательно, протекают с выделением энергии (Е > 0).

Исследования показывают, что атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Это означает, что в ядре между нуклонами существует определенная связь. Изучение этой связи может быть проведено без привлечения сведений о характере и свойствах ядерных сил, а основываясь на законе сохранения энергии. Введём определения.

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

Полная энергия связи ядра определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделиться энергия, равная энергии связи ядра. Очевидно, что энергия связи ядра равна разности между суммарной энергией свободных нуклонов, составляющих данное ядро, и их энергией в ядре. Из теории относительности известно, что между энергией и массой имеется связь:

Е = mс 2 . (250)

Если через ΔЕ св обозначить энергию, выделяющуюся при образовании ядра, то с этим выделением энергии, согласно формуле (250), должно быть связано уменьшение суммарной массы ядра при его образовании из составных частиц:

Δm = ΔЕ св / с 2 (251)

Если обозначить через m p , m n , m Я соответственно массы протона, нейтрона и ядра, то Δm можно определить по формуле:

Dm = [Zm р + (A-Z)m n ] - m Я . (252)

Массу ядер очень точно можно определить с помощью масс-спектрометров - измерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами q/m . Масс-спектрометрические измерения показали, что, действительно, масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.

Разность между сумой масс нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра называется дефектом массы ядра (формула (252)).

Согласно формуле (251), энергия связи нуклонов в ядре определится выражением:

ΔЕ СВ = [Zm p + (A-Z )m n – m Я ]с 2 . (253)

В таблицах обычно приводятся не массы ядер m Я , а массы атомов m а . Поэтому для энергии связи пользуются формулой

ΔЕ СВ = [Zm H + (A-Z )m n – m а ]с 2 (254)

где m H - масса атома водорода 1 Н 1 . Так как m H больше m р , на величину массы электрона m e , то первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но, так как масса атома m а отличается от массы ядра m Я как раз на массу Z электронов, то вычисления по формулам (253) и (254) приводят к одинаковым результатам.

Часто вместо энергии связи ядра рассматривают удельную энергию связи dЕ СВ - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем больше dЕ СВ ,тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа А элемента. Для легких ядер (А £ 12) удельная энергия связи круто возрастает до 6 ¸ 7 МэВ, претерпевая целый ряд скачков (см. рисунок 93). Например, для dЕ СВ =1,1 МэВ, для -7,1 МэВ, для -5,3 МэВ. При дальнейшем увеличении массового числа dЕ СВ возрастает более медленно до максимальной величины 8,7 МэВ у элементов с А =50¸60, а потом постепенно уменьшается для тяжелых элементов. Например, для она составляет 7,6 МэВ. Отметим для сравнения, что энергия связи валентных электронов в атомах составляет примерно 10 эВ (в 10 6 раз меньше). На кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа для стабильных ядер (рисунок 93) можно отметить следующие закономерности:

А) Если отбросить самые легкие ядра, то в грубом, так сказать нулевом приближении, удельная энергия связи постоянна и равна примерно 8 МэВ на

нуклон. Приближенная независимость удельной энергии связи от числа нуклонов свидетельствует о свойстве насыщения ядерных сил. Это свойство состоит в том, что каждый нуклон может взаимодействовать только с несколькими соседними нуклонами.

б) Удельная энергия связи не строго постоянна, а имеет максимум (~8,7 МэВ/нуклон) при А = 56, т.е. в области ядер железа, и спадает к обоим краям. Максимум кривой соответствует наиболее стабильным ядрам. Легчайшим ядрам энергетически выгодно сливаться друг с другом с выделением термоядерной энергии. Для наиболее тяжелых ядер, наоборот, выгоден процесс деления на осколки, идущий с выделением энергии, получившей название атомной.

где m н - масса атома водорода.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельная энергия связи Е уд - энергия связи ядра, приходящаяся на 1 нуклон:

На рис. 116 приведен сглаженный график экспериментально установленной зависимости Е уд от А.

Ядерные силы. Модели ядра.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ- силы взаимодействия между нуклонами; обеспечивают большую величину энергии связи ядер по сравнению с др. системами. Я. с. являются наиб. важным и распространённым примером сильного взаимодействия (СВ). Когда-то эти понятия были синонимами и сам термин "сильное взаимодействие" был введён для подчёркивания огромной величины Я. с. по сравнению с др. известными в природе силами: эл.-магн., слабыми, гравитационными. После открытия p-, r- идр. мезонов, гиперо-нов и др. адронов термин "сильное взаимодействие" стали применять в более широком смысле - как взаимодействие адронов. В 1970-х гг. квантовая хромодинамика (КХД) утвердилась как общепризнанная микроскопич. теория СВ. Согласно этой теории, адроны являются составными частицами, состоящими из кварков и глюонов, а под СВ стали понимать взаимодействие этих фундам. частиц.

Капельная модель ядра - одна из самых ранних моделей строения атомного ядра, предложенная Нильсом Бором в 1936 году в рамках теории составного ядра , развитая Яковом Френкелем и, в дальнейшем, Джоном Уилером, на основании которой Карлом Вайцзеккером была впервые получена полуэмпирическая формула для энергии связи ядра атома, названная в его честь формулой Вайцзеккера .

Согласно этой теории, атомное ядро можно представить в виде сферической равномерно заряженной капли из особой ядерной материи, которая обладает некоторыми свойствами, например несжимаемостью, насыщением ядерных сил, «испарением» нуклонов (нейтронов и протонов), напоминает жидкость. В связи с чем на такое ядро-каплю можно распространить некоторые другие свойства капли жидкости, например поверхностное натяжение, дробление капли на более мелкие (деление ядер), слияние мелких капель в одну большую (синтез ядер). Учитывая эти общие для жидкости и ядерной материи свойства, а также специфические свойства последней, вытекающие из принципа Паули и наличия электрического заряда, можно получить полуэмпирическую формулу Вайцзеккера, позволяющую вычислить энергию связи ядра, а значит и его массу, если известен его нуклонный состав (общее число нуклонов (массовое число) и количество протонов в ядре).