Как найти удельную энергию связи ядер - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Опытным путём было доказано, что масса ядра оказывается меньше, чем масса протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Разница между этими массами называется дефектом массы ядра.

Дефект массы ядра (

Δm

) — это разница между суммарной массой свободных нуклонов, из которых состоит ядро, и массой ядра.

Почему же масса нуклонов, связанных ядерными силами в ядро, оказывается меньше массы этих же нуклонов в свободном состоянии? Оказывается, что масса и энергия взаимосвязаны.

Всякое тело массой m обладает энергией, которая называется энергией покоя (

E0=mc2

, где c — скорость света в вакууме.

Впервые соотношение между энергией и массой вывел Альберт Эйнштейн, поэтому это выражение и получило название «уравнение Эйнштейна».

Уменьшение энергии покоя нуклонов в ядре вызвано наличием ядерных сил, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре. Работа, которую необходимо совершить для разрыва ядерных сил и разъединения нуклонов, равна энергии, которая связывает нуклоны вместе. Эта энергия называется энергией связи (

Eсв

) ядра.

Энергия связи и дефект массы ядра связаны между собой уравнением Эйнштейна:

Удельной энергией связи ядра называют энергию связи, приходящуюся на (1) нуклон:

Удельная энергия равна средней энергии, необходимой для отрыва (1) нуклона от ядра.

Вычисления показали, что наибольшей удельной энергией связи обладают элементы, находящиеся в центре Периодической системы химических элементов. С увеличением порядкового номера начинает уменьшаться удельная энергия связи. Именно поэтому ядра элементов с порядковым номером больше (83) являются радиоактивными. Благодаря небольшой удельной энергии связи они способны самопроизвольно распадаться.

Единицы измерения энергии

В ядерной физике принято измерять энергию в мегаэлектронвольтах ((1) МэВ):

(1) МэВ (=)

106

эВ

≈1,6⋅10−13

Дж.

Для вычисления энергии связи удобно пользоваться переводным коэффициентом для массы и энергии.

Дефекту массы в (1) а. е. м. соответствует энергия, равная

ΔE=Δmc2≈1,66⋅10−27

кг

⋅(3⋅108

м/с

)2≈1,49⋅10−10

Дж

=931,5

МэВ.

Обрати внимание!

Для выражения изменения энергии системы в мегаэлектронвольтах нужно
изменение массы системы в атомных единицах массы умножить на переводной коэффициент (931,5) МэВ/а. е. м.

(1) а. е. м. (=) (931,5) МэВ.

Источник

Энергия связи ядра.

Ядерные силы.
Атомная единица массы.
Дефект массы и энергия связи.
Удельная энергия связи.
Насыщение ядерных сил.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ: энергия связи нуклонов в ядре, ядерные силы.

Атомное ядро, согласно нуклонной модели, состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Но какие силы удерживают нуклоны внутри ядра?

За счёт чего, например, держатся вместе два протона и два нейтрона внутри ядра атома гелия? Ведь протоны, отталкиваясь друг от друга электрическими силами, должны были бы разлететься в разные стороны! Может быть, это гравитационное притяжение нуклонов друг к другу не даёт ядру распасться?

Давайте проверим. Пусть два протона находятся на некотором расстоянии друг от друга. Найдём отношение силы $F_{el}$ их электрического отталкивания к силе $F_{gr}$ их гравитационного притяжения:

$frac{displaystyle F_{displaystyle el}}{displaystyle F_{displaystyle gr}}=frac{displaystyle ke^{2}/displaystyle r^{2}}{displaystyle Gm^{2}/displaystyle r^{2}}=frac{displaystyle ke^{2}}{displaystyle Gm^{2}}.$

Заряд протона $e=1.6 cdot 10^{-19}$ Кл, масса протона $m approx 1,7 cdot 10^{-27}$ кг, поэтому имеем:

$frac{displaystyle F_{displaystyle el}}{displaystyle F_{displaystyle gr}}=frac{9cdot 10^{9}cdot 1,6^{2}cdot 10^{-38}}{6,67cdot 10^{-11}cdot 1,7^{2}cdot 10^{-54}}sim 10^{36}.$

Какое чудовищное превосходство электрической силы! Гравитационное притяжение протонов не то что не обеспечивает устойчивость ядра — оно вообще не заметно на фоне их взаимного электрического отталкивания.

Следовательно, существуют иные силы притяжения, которые скрепляют нуклоны внутри ядра и превосходят по величине силу электрического отталкивания протонов. Это — так называемые ядерные силы.

к оглавлению ▴

Ядерные силы.

До сих пор мы знали два типа взаимодействий в природе — гравитационные и электромагнитные. Ядерные силы служат проявлением нового, третьего по счёту типа взаимодействий — сильного взаимодействия. Мы не будем вдаваться в механизм возникновения ядерных сил, а лишь перечислим их наиболее важные свойства.

1. Ядерные силы действуют между любыми двумя нуклонами: протоном и протоном, протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном.
2. Ядерные силы притяжения протонов внутри ядра примерно в 100 раз превосходят силу электрического отталкивания протонов. Более мощных сил, чем ядерные, в природе не наблюдается.
3. Ядерные силы притяжения являются короткодействующими: радиус их действия составляет около $10^{-15}$ м. Это и есть размер ядра — именно на таком расстоянии друг от друга нуклоны удерживаются ядерными силами. При увеличении расстояния ядерные силы очень быстро убывают; если расстояние между нуклонами станет равным $2cdot 10^{-15}$ м, ядерные силы почти полностью исчезнут.

На расстояниях, меньших $10^{-15}$ м, ядерные силы становятся силами отталкивания.

Сильное взаимодействие относится к числу фундаментальных — его нельзя объяснить на основе каких-то других типов взаимодействий. Способность к сильным взаимодействиям оказалась свойственной не только протонам и нейтронам, но и некоторым другим элементарным частицам; все такие частицы получили название адронов. Электроны и фотоны к адронам не относятся — они в сильных взаимодействиях не участвуют.

к оглавлению ▴

Атомная единица массы.

Массы атомов и элементарных частиц чрезвычайно малы, и измерять их в килограммах неудобно. Поэтому в атомной и ядерной физике часто применяется куда более мелкая единица — так
называемая атомная единица массы (сокращённо а. е. м.).

По определению, атомная единица массы есть 1/12 массы атома углерода $_{}^{12}textrm{C}$ . Вот её значение с точностью до пяти знаков после запятой в стандартной записи:

а. е. м. $=1,66054cdot 10^{-27}$ кг $=1,66054cdot 10^{-24}$ г.

(Такая точность нам впоследствии понадобится для вычисления одной очень важной величины, постоянно применяющейся в расчётах энергии ядер и ядерных реакций.)

Оказывается, что 1 а. е. м., выраженная в граммах, численно равна величине, обратной к постоянной Авогадро $N_{a}=1,602214cdot 10^{23}$ моль $^{-1}$ :

$frac{1}{N_{A}}=frac{1}{6,02214cdot 10^{23}}=1,66054cdot 10^{-24}$ моль.

Почему так получается? Вспомним, что число Авогадро есть число атомов в 12г углерода. Кроме того, масса $m_{C}$ атома углерода равна 12 а. е. м. Отсюда имеем:

г $=N_{a}m_{C}=N_{A}cdot 12$ а. е. м.,

поэтому $N_{A}cdot 1$ а. е. м.=г, что и требовалось.

Как вы помните, любое тело массы m обладает энергией покоя E, которая выражается формулой Эйнштейна:

$E=mc^{2}$ . (1)

Выясним, какая энергия заключена в одной атомной единице массы. Нам надо будет провести вычисления с достаточно высокой точностью, поэтому берём скорость света с пятью знаками после запятой:

$c=2,99792cdot 10^{8}$ м/с.

Итак, для массы $m_{1}=1$ а. е. м. имеем соответствующую энергию покоя $E_{1}$ :

$E_{1}=m_{1} c^{2}=1,66054 cdot 10^{-27} cdot 2,99792^{2} cdot 10^{16}=1,49241cdot 10^{-10}$ Дж. (2)

В случае малых частиц пользоваться джоулями неудобно — по той же причине, что и килограммами. Существует гораздо более мелкая единица измерения энергии — электронвольт (сокращённо эВ).

По определению, 1 эВ есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов 1 вольт:

эВ $=eV=1,60218cdot 10^{-19}$ Кл cdot 1 В $=1,60218cdot 10^{-19}$ Дж. (3)

(вы помните, что в задачах достаточно использовать величину элементарного заряда в виде $e=1,6cdot 10^{-19}$ Кл, но здесь нам нужны более точные вычисления).

И вот теперь, наконец, мы готовы вычислить обещанную выше очень важную величину — энергетический эквивалент атомной единицы массы, выраженный в МэВ. Из (2) и (3) получаем:

$E_{1}=frac{1,49241cdot 10^{-10}}{1,60218cdot 10^{-19}}=0,93149cdot 10^{9}$ эВ =931,5 . (4)

Итак, запоминаем: энергия покоя одной а. е. м. равна 931,5 МэВ. Этот факт вам неоднократно встретится при решении задач.

В дальнейшем нам понадобятся массы и энергии покоя протона, нейтрона и электрона. Приведём их с точностью, достаточной для решения задач.

$m_{p}=1,00728$ а. е. м., $E_{p}=938,3$ МэВ;
$m_{n}=1,00867$ а. е. м., $E_{n}=939,6$ МэВ;
$m_{e}=5,468cdot 10^{-4}$ а. е. м., $E_{e}=0,511$ МэВ.

к оглавлению ▴

Дефект массы и энергия связи.

Мы привыкли, что масса тела равна сумме масс частей, из которых оно состоит. В ядерной физике от этой простой мысли приходится отвыкать.

Давайте начнём с примера и возьмём хорошо знакомую нам alpha -частицу ядро $_{2}^{4}textrm{He}$ . В таблице (например, в задачнике Рымкевича) имеется значение массы нейтрального атома гелия: она равна 4,00260 а. е. м. Для нахождения массы M ядра гелия нужно из массы нейтрального атома вычесть массу двух электронов, находящихся в атоме:

а. е. м.

В то же время, суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, из которых состоит ядро гелия, равна:

$2m_{p}+2m_{n}=2 cdot 1,00728+2 cdot 1,00867=4,03190$ а. е. м.

Мы видим, что сумма масс нуклонов, составляющих ядро, превышает массу ядра на

$Delta m= 2m_{p}+2m_{n}-M=4,03190-4,00150=0,0304$ а. е. м.

Величина Delta m называется дефектом массы. В силу формулы Эйнштейна (1) дефекту массы отвечает изменение энергии:

$Delta E=Delta mc^{2}=0,0304cdot 931,5approx 28$ МэВ:

Величина Delta E обозначается также $E_{CB}$ и называется энергией связи ядра $_{2}^{4}textrm{He}$ . Таким образом, энергия связи alpha -частицы составляет приблизительно 28 МэВ.

Каков же физический смысл энергии связи (и, стало быть, дефекта масс)?

Чтобы расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны, нужно совершить работу против действия ядерных сил. Эта работа не меньше определённой величины $A_{min}$ ; минимальная работа $A_{min}$ по разрушению ядра совершается в случае, когда высвободившиеся протоны и нейтроны покоятся.

Ну а если над системой совершается работа, то энергия системы возрастает на величину совершённой работы. Поэтому суммарная энергия покоя нуклонов, составляющих ядро и взятых по отдельности, оказывается больше энергии покоя ядра на величину $A_{min}$ .

Следовательно, и суммарная масса нуклонов, из которых состоит ядро, будет больше массы самого ядра. Вот почему возникает дефект массы.

В нашем примере с alpha -частицей суммарная энергия покоя двух протонов и двух нейтронов больше энергии покоя ядра гелия на 28 МэВ. Это значит, что для расщепления ядра $_{2}^{4}textrm{He}$ на составляющие его нуклоны нужно совершить работу, равную как минимум 28 МэВ. Эту величину мы и назвали энергией связи ядра.

Итак, энергия связи ядра — это минимальная работа, которую необходимо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра есть разность энергий покоя нуклонов ядра, взятых по отдельности, и энергии покоя самого ядра. Если ядро массы состоит из протонов и нейтронов, то для энергии связи $E_{CB}$ имеем:

$E_{CB}=(Zm_{p}+Nm_{n})c^{2}-Mc^{2}=(Zm_{p}+Nm_{n}-M)c^{2}$ .

Величина $Delta m=Zm_{p}+Nm_{n}-M$ , как мы уже знаем, называется дефектом массы.

к оглавлению ▴

Удельная энергия связи.

Важной характеристикой прочности ядра является его удельная энергия связи, равная отношению энергии связи к числу нуклонов:

$varepsilon =frac{E_{CB}}{A}$ .

Удельная энергия связи есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон, и имеет смысл средней работы, которую необходимо совершить для удаления нуклона из ядра.

На рис. 1 представлена зависимость удельной энергии связи естественных (то есть встречающихся в природе 1) изотопов химических элементов от массового числа A.

Рис. 1. Удельная энергия связи естественных изотопов

Элементы с массовыми числами 210–231, 233, 236, 237 в естественных условиях не встречаются. Этим объясняются пробелы в конце графика.

У лёгких элементов удельная энергия связи возрастает с ростом , достигая максимального значения 8,8 МэВ/нуклон в окрестности железа $_{26}^{56}textrm{Fe}$ (то есть в диапазоне изменения примерно от 50 до 65). Затем она плавно убывает до величины 7,6 МэВ/нуклон у урана $_{92}^{238}textrm{U}$ .

Такой характер зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов объясняется совместным действием двух разнонаправленных факторов.

Первый фактор — поверхностные эффекты. Если нуклонов в ядре мало, то значительная их часть находится на поверхности ядра. Эти поверхностные нуклоны окружены меньшим числом соседей, чем внутренние нуклоны, и, соответственно, взаимодействуют с меньшим числом соседних нуклонов. При увеличении доля внутренних нуклонов растёт, а доля поверхностных нуклонов — падает; поэтому работа, которую нужно совершить для удаления одного нуклона из ядра, в среднем должна увеличиваться с ростом .

Однако с возрастанием числа нуклонов начинает проявляться второй фактор — кулоновское отталкивание протонов. Ведь чем больше протонов в ядре, тем большие электрические силы отталкивания стремятся разорвать ядро; иными словами, тем сильнее каждый протон отталкивается от остальных протонов. Поэтому работа, необходимая для удаления нуклона из ядра, в среднем должна уменьшаться с ростом .

Пока нуклонов мало, первый фактор доминирует над вторым, и потому удельная энергия связи возрастает.

В окрестности железа действия обоих факторов сравниваются друг с другом, в результате чего удельная энергия связи выходит на максимум. Это область наиболее устойчивых, прочных ядер.

Затем второй фактор начинает перевешивать, и под действием всё возрастающих сил кулоновского отталкивания, распирающих ядро, удельная энергия связи убывает.

к оглавлению ▴

Насыщение ядерных сил.

Тот факт, что второй фактор доминирует у тяжёлых ядер, говорит об одной интересной особенности ядерных сил: они обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон в большом ядре связан ядерными силами не со всеми остальными нуклонами, а лишь с небольшим числом своих соседей, и число это не зависит от размеров ядра.

Действительно, если бы такого насыщения не было, удельная энергия связи продолжала бы возрастать с увеличением — ведь тогда каждый нуклон скреплялся бы ядерными силами со всё большим числом нуклонов ядра, так что первый фактор неизменно доминировал бы над вторым. У кулоновских сил отталкивания не было бы никаких шансов переломить ситуацию в свою пользу!

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Энергия связи ядра.» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.05.2023

Источник

В ядре существуют силы особой природы — ядерные силы, которые
действуют между нуклонами на расстояниях, сравнимыми с размерами самих ядер, и
препятствуют взаимному электростатическому отталкиванию между протонами в ядре.Следовательно,
чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, не взаимодействующие между собой,
необходимо совершить работу по преодолению ядерных сил. Другими словами,
сообщить ядру определённую энергию.

Так вот, минимальная энергия, необходимая для расщепления
ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем она больше, тем
стабильнее ядро. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна
той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Самый простой способ определения энергии связи основан на
одном замечательном законе природы, устанавливающим соотношение между массой
тел и их энергией. Из этого закона следует, что изменение массы тела влечёт за
собой изменение энергии этого тела. При этом даже ничтожному изменению массы
тела соответствует значительное изменение энергии.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного
измерения его массы. С изобретением масс-спектрографов физики получили
возможность измерять массы микрочастиц с очень высокой точностью. Эти измерения
показывают, что масса любого ядра всегда меньше суммы масс входящих в его
состав протонов и нейтронов:

М_я < Zm_р
+ Nm_n.

Разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в
свободном состоянии и массой ядра, называют дефектом массы:

ΔM
= Zm_р + Nm_n
– М_я.

В качестве примера рассмотрим ядро атома гелия-4. Это химический
элемент 18-й группы первого периода системы химических элементов Менделеева, с
атомным номером два.

В соответствии с соотношением Эйнштейна между массой и
энергией, дефект массы характеризует энергию связи атомного ядра:

E_св
= ΔMс² = (Zm_р
+ Nm_n – М_я)с².

Обращаем ваше внимание на то, что при использовании данной
формулы, массу входящих в неё частиц следует выражать в килограммах. Тогда
значение полученной энергии связи будет выражено в джоулях. Здесь же обратим
ваше внимание на то, что энергия связи ядра намного порядков превышает энергию
связи электронов с атомом (энергию ионизации). Поэтому при расчётах энергию
связи электронов с атомом обычно не учитывают.

Давайте теперь для примера рассчитаем энергию связи ядра
изотопа гелия-4.

Как видим, энергии микромира крайне малы и работать с такими
числами представляется крайне неудобным. Гораздо проще рассчитывать энергию
связи в электронвольтах и мегаэлектронвольтах.

Давайте вспомним, что 1эВ равен энергии, необходимой для
переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с
разницей потенциалов 1 В. Проще говоря, величина одного электронвольта равна
значению элементарного заряда в джоулях. Но энергии связи таковы, что для их
вычисления удобно использовать миллионы электронвольт, то есть
мегаэлектронвольты.

В этом случае массу частиц лучше всего выражать в
энергетических единицах. Связь между различными единицами массы:

В этом случае формула для определения энергии связи примет вид:

Обратите внимание на тот факт, что обычно в таблицах
приводятся массы атомов, а не массы ядер. Поскольку при таком подходе
учитываются и массы электронов, то для вычисления энергии связи ядра в этом
случае целесообразно преобразовать формулу так, чтобы в неё входила не масса
ядра, а масса соответствующего атома. Для этого вспомним, что масса ядра есть
разность между массой атома и массой всех его электронов. Преобразуем формулу
для дефекта масс с учётом последнего уравнения.

В полученном выражении первым слагаемым у нас стоит
произведение зарядового числа на сумму масс протона и электрона. В природе существует
единственный элемент, в ядре которого находится один протон, а вокруг ядра
вращается один электрон — это атом водорода. Поэтому формула для дефекта масс
примет вид, показанный на экране:

Ещё одной важной характеристикой в ядерной физике является удельная
энергия связи. Так называют энергию связи, приходящуюся на один
нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу:

Соответственно, чем больше значение удельной энергии связи,
тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, и тем прочнее ядро.

Как правило, лёгкие ядра обладают достаточно малой удельной
энергией связи. К середине таблицы Менделеева энергия связи достигает своего
максимального значения. А к концу — вновь начинает убывать.

Из графика зависимости удельной энергии связи от числа
нуклонов в ядре видно, что при смещении ядер к центральной части графика
удельная энергия связи увеличивается, следовательно, любые ядерные реакции,
приводящие к такому смещению, являются энергетически выгодными (сопровождаются
выделением энергии). Как видно из графика, подобное смещение возможно при
реакциях синтеза лёгких ядер в области изменения массового числа примерно 0 → 50 и при реакциях деления тяжёлых ядер в
области изменения массового числа примерно 250 → 60.
При этом реакции синтеза должны идти мощнее, поскольку подъем графика
происходит круче, чем последующее уменьшение удельной энергии связи.

Энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в процессе таких
ядерных реакций, можно определить, если известны массы взаимодействующих и
образующихся в результате этого взаимодействия ядер и частиц. Эту энергию
называют энергетическим выходом ядерной реакции. При этом, если в
процессе ядерной реакции энергия выделяется, то реакцию называют экзотермической,
если же энергия поглощается — то эндотермической:

∆𝐸 = 𝐸₀ – 𝐸.

Источник