Энергия связи ядер. Дефект массы

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 Есв - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса

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

Если ядро массой Мял образовано из Z протонов с массой тр и из (А - Z) нейтронов с массой тп> то

Вместо массы ядра Мт величину Ат можно выразить через атомную массу А/ат:

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

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

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

Величина vrCB составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. На рис. 4.1.2 приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа А, характеризующая различную прочность связей нуклонов в ядрах разных химических элементов. Ядра элементов в средней части Периодической системы (28 < А < 138), т. е. от ,*Si до Ц Ва, наиболее прочны.

В этих ядрах исв 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 н>св ~ 7,6 МэВ/нуклон. Это объясняет возможность выделения энергии при делении тяжелых ядер.

Рис. 4.1.2

В области малых массовых чисел имеются острые «пики» удельной энергии связи. Максимумы характерны для ядер с четными числами протонов и нейтронов (1Не, '*С, '*()), минимумы - для ядер с нечетными количествами прогонов и нейтронов (*Li, В, *JN).

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию Emin = -Есв, то оно находится в основном энергетическом состоянии. Если ядро имеет энергию Е > Етхп, оно в возбужденном энергетическом состоянии. Случай Е = 0 соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны. В отличие от энергетических уровней атома, раздвинутых на единицы электронвольт, энергетические уровни ядра отстоят друг от друга на мегаэлектронвольт (МэВ). Этим объясняется происхождение и свойства гамма-излучения.

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

Берется ближайшее целое число ZycT.

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) ~ Z2 (парное взаимодействие протонов), и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно возрастать быстрее числа протонов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >