Энергия связи ядра реферат

Обновлено: 05.07.2024

Устойчивость атомных ядер основывается на действии неких колоссальных многократно превосходящих силы кулоновского отталкивания протонов сил, удерживающих нейтроны и протоны внутри ядра.

Приведенные выше силы, удерживающие нуклоны в ядре, носят название ядерных. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия, то есть, так называемого сильного взаимодействия.

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 α -частиц показали, что обсуждаемый тип сил заметно проявляется только на расстояниях близких к размерам ядра, то есть на расстоянии в 10 – 12 – 10 – 13 с м . 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

Важнейшее место в ядерной физике занимает понятие энергии связи ядра.

Энергия связи атомного ядра эквивалентна минимальной необходимой для полного расщепления ядра на отдельные частицы энергии. Опираясь на закон сохранения энергии, можно сказать, что энергия связи равняется выделяющейся в процессе образования ядра из отдельных частиц энергии.

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.

Такие измерения доказывают, что масса каждого конкретного ядра M я в любом случае меньше совокупности масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

M я Z m p + N m n .

Следующее выражение разности масс:

∆ M = Z m p + N m n - M я .

Носит название дефекта массы.

Благодаря дефекту массы, используя формулу Эйнштейна E = m c 2 , можно высчитать энергию, выделившуюся при образовании приведенного ядра, то есть энергию связи ядра E с в :

E с в = ∆ M c 2 = Z m p + N m n - M я с .

Данная энергия выделяется в процессе образования ядра в виде излучения γ -квантов.

Как пример высчитаем энергию связи ядра гелия He 2 4 , в чей состав входят пара протонов и два нейтрона. Масса ядра гелия M я = 4 , 00260 а . е . м . Сумма масс двух протонов с двумя нейтронами эквивалентна 2 m p + 2 m n = 4 , 03298 а . е . м . Таким образом, дефект массы ядра гелия равняется Δ M = 0 , 03038 а . е . м . Процесс расчета по формуле E с в Δ M c 2 приводит нас к следующему значению энергии связи ядра He 2 4 : E с в = 28 , 3 М э В . Это колоссальная величина. Образование всего 1 г гелия приводит к выделению энергии приближенной к 13 , 6 э В . Приблизительно такая же энергия излучается в процессе сгорания практически целого вагона с каменным углем. Энергия связи ядра на много порядков превосходит энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода H 1 1 энергия ионизации равняется 13 , 6 э В .

В таблицах обычно указана удельная энергия связи, то есть, энергия связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи примерно равна 7 , 1 М э В / н у к л о н . На рисунке 6 . 6 . 1 проиллюстрирован график зависимости удельной энергии связи от массового числа A . 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 1 , 1 М э В / н у к л о н у дейтерия до 7 , 1 М э В / н у к л о н у гелия He 2 4 . После ряда скачкообразных изменений удельная энергия медленно повышается до максимальной величины 8 , 7 М э В / н у к л о н у элементов с массовым числом A = 50 – 60 , а затем все так же медленно падает у тяжелых элементов. К примеру, у урана U 92 238 она равняется 7 , 6 М э В / н у к л о н .

Рисунок 6 . 6 . 1 . 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 Z и нейтронов N выходят эквивалентными в случае стабильных легких ядер, когда роль кулоновского взаимодействия мала, в качестве примера можно привести He 2 4 , Li 3 6 , B 5 10 . 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 6 . 6 . 2 изображена диаграмма, демонстрирующая количество протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, идущих следом за висмутом ( Z > 83 ) , по причине большого числа протонов полная стабильность оказывается принципиально невозможной.

Рисунок 6 . 6 . 2 . Количество протонов и нейтронов в стабильных ядрах.

Ядерные превращения

На рисунке 6 . 6 . 1 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.

Произведем некоторые оценки. Пускай, к примеру, ядро урана U 92 238 делится на два эквивалентных друг другу ядра с массовыми числами 119 . У приведенных ядер, как видно из рисунка 6 . 6 . 1 , удельная энергия связи около 8 , 5 М э В / н у к л о н . Удельная энергия связи ядра урана 7 , 6 М э В / н у к л о н . Соответственно, при делении ядра урана излучается энергия, равняющаяся 0 , 9 М э В / н у к л о н или больше 200 М э В на один атом урана.

Исследуем следующий пример. Пускай в неких условиях два ядра дейтерия H 1 2 формируют одно ядро гелия He 2 4 . Удельная энергия связи ядер дейтерия равняется значению 1 , 1 М э В / н у к л о н , а удельная энергия связи ядра гелия 7 , 1 М э В / н у к л о н . Соответственно, в процессе синтеза единого ядра гелия из двух ядер дейтерия произведется энергия, эквивалентная 6 М э В / н у к л о н или 24 М э В на атом гелия.

Стоит отметить, что в сравнении с делением тяжелых элементов синтез легких провоцирует излучение энергии на один нуклон большее примерно в шесть раз.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Протонно-нейтронная модель ядра

Опыты Резерфорда доказали, что атом состоит из маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Оказалось, что по сравнению с размером самого атома ядро крайне мало. Ядро меньше атома в 100 000 раз.

Если атомное ядро увеличить до размеров горошины, тогда диаметр атома будет равен высоте Останкинской башни.

Дальнейшие исследования показали, что заряд атомного ядра равен произведению порядкового номера Z элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева на элементарный заряд. То есть атомный номер Z определяет число электронов в атоме, число протонов в ядре.

Если бы ядро состояло из одних протонов, то масса ядра любого химического элемента равнялась бы массе Z протонов. Но на самом деле масса ядер всех элементов гораздо больше. Поэтому в 1920 г. Резерфорд высказал предположение о существовании электрически нейтральной частицы. Позднее эта частица была обнаружена экспериментально. Ее назвали нейтроном .

В 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Протоны и нейтроны называются нуклонами .

Общее число нуклонов (протоны + нейтроны) называется массовым числом А . В настоящее время для атомов химических элементов приняты следующие обозначения:

Устойчивость ядра

Почему ядро устойчиво? Между протонами внутри ядра действуют кулоновские силы отталкивания огромной величины, около 230 Н. Но ядро не разваливается! Причина устойчивости - наличие сил иной природы, их называют сильными взаимодействиями.

Эти силы в 100 раз превосходят кулоновские силы отталкивания. Проявляются только на расстояниях порядка 10 -15 м. Являются только силами притяжения.

Массы всех ядер (кроме водорода) меньше, чем массы образующих их протонов и нейтронов в свободном состоянии. Разность масс называют дефектом масс .

Энергия связи

Согласно уравнению Эйнштейна

Удельная энергия связи ядра - энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Атомное ядро — система связанных нуклонов. Чтобы разделить его на составляющие протоны и нейтроны, нужно затратить некоторую минимальную энергию ЩЛ9 Z), называемую энергией связи ядра. В соответствии с релятивистским законом (2.7) взаимосвязи массы покоящейся частицы и энергии покоя, энергия связи ядра определяется следующим образом: Энергия связи ядра тем больше, чем больше число нуклонов А… Читать ещё >

Энергия связи ядра ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

где М (А, Z) — масса ядра. Выражение в квадратных скобках, т. е.

называется дефектом массы ядра. Согласно (2.12) устанавливается следующая связь между дефектом массы в а.е.м. и энергией связи в МэВ:

Стоящий в (2.14) коэффициент 931,5 МэВ/а.е.м. называется энергетическим эквивалентом атомной единицы массы.'

Энергия связи ядра тем больше, чем больше число нуклонов А. В связи с этим удобно иметь дело с удельной энергией связи — энергией связи на один нуклон,.

Рис. 2.2. Зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида.

Энергия любой химической связи составляет единицы эВ. В связи с этим с точки зрения запасов энергии 1 г ядерного топлива эквивалентен примерно 1 т топлива химического. Получить ядерную энергию можно двумя способами: синтезом легких ядер и делением тяжелых ядер. В обоих процессах (показаны стрелками на рис. 2.2) совершается переход к ядрам с большей энергией связи, поэтому часть ее высвобождается в виде кинетической энергии продуктов.

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10 –12 –10 –13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя одинаково, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M_я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

M_я 2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E_св:

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра гелия например, энергия ионизации равна 13,6 эВ.

В таблицах принято указывать удельную энергию связи, т. е. энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис. 6.6.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия до 7,1 МэВ/нуклон у гелия . Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно снижается у тяжелых элементов. Например, у урана она составляет 7,6 МэВ/нуклон.

Удельная энергия связи ядер

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются одинаковыми (, , ). Под действием ядерных сил как бы образуются протон-нейтронные пары. Но у тяжелых ядер, содержащих большое число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания для обеспечения устойчивости требуются дополнительные нейтроны. На рис. 6.6.2 приведена диаграмма, показывающая число протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, следующих за висмутом (Z > 83), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной.

Числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах

Из рис. 6.6.1 видно, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части системы Менделеева. Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях:

1. деление тяжелых ядер на более легкие;

2. слияние легких ядер в более тяжелые.

В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии. В настоящее время оба процесса осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции.

Выполним некоторые оценки. Пусть, например, ядро урана делится на два одинаковых ядра с массовыми числами 119. У этих ядер, как видно из рис. 6.6.1, удельная энергия связи порядка 8,5 МэВ/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана 7,6 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон или более 200МэВ на один атом урана.

Рассмотрим теперь другой процесс. Пусть при некоторых условиях два ядра дейтерия сливаются в одно ядро гелия . Удельная энергия связи ядер дейтерия равна 1,1 МэВ/нуклон, а удельная энергия связи ядра гелия равна 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон или 24 МэВ на атом гелия.

Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер по сравнению с делением тяжелых сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон.

Читайте также: