Дефект массы

Энергия, излучаемая звездами, выделяется в ходе термоядерных реакций, идущих в их центрах. Ключевую роль в образовании энергии при этом играет дефект масс. Рассмотрим это понятие более подробно.

Ядерные силы

Заряд атомного ядра равен номеру элемента в таблице Менделеева и складывается из зарядов протонов, входящих в его состав. Каждый протон имеет одинаковый положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Одноименные заряды отталкиваются, протоны должны разлетаться в разные стороны, все вещество (кроме водорода, ядро которого состоит из одного протона) должно очень быстро распадаться. Однако, многие атомы являются стабильными, несмотря на то, что в них больше одного протона.

Следовательно, внутри ядра существуют некоторые силы, более мощные, чем кулоновские силы отталкивания. Эти силы называют ядерными силами. Их природа отличается как от природы электрических сил, так и от природы гравитационных. Взаимодействие, которым они обеспечиваются, называется Сильным, поскольку это самые мощные силы в Природе.

Ядерные силы

Рис. 1. Ядерные силы.

Особенность Сильного взаимодействия в том, что оно короткодействующее. Ядерные силы действуют лишь на коротких расстояниях, не превышающих размеров атомных ядер. Происходит это потому, что, в отличие от кулоновских сил, передаваемых безмассовыми фотонами, переносчики Сильного взаимодействия имеют массу. Они действуют на протоны и нейтроны (общее название – нуклоны), удерживая их на близком расстоянии в ядрах атомов.

Энергия связи. Дефект масс.

Для расщепления ядра на отдельные нуклоны требуется затратить энергию, которая называется энергией связи ядра. Количественная теория ядерных сил в настоящее время не разработана, однако, энергию связи можно оценить, исходя из формулы связи массы и энергии:

$$Е=mc^2$$

Прямые измерения показывают, что для легких элементов масса покоя ядра всегда меньше, чем массы покоя входящих в него частиц:

$$М_я < Zm_p + (A-Z)m_n,$$

где:

  • $М_я$ – масса покоя ядра;
  • $m_p$ – масса покоя протона;
  • $m_n$ – масса покоя нейтрона;
  • $Z$ – число протонов в ядре (порядковый номер элемента);
  • $А$ – общее число нуклонов в ядре (массовое число)

Разница между массой ядра и входящих в него нуклонов называется дефектом массы ядра. Формулу дефекта массы можно записать следующим образом:

$$ΔМ = Zm_p+(A-Z)m_n -М_я$$

Для легких элементов дефект масс положителен, ядро оказывается легче, чем входящие в него частицы. Для тяжелых элементов это не так, ядерных сил едва хватает, чтобы удерживать вместе большое число протонов, и поэтому ядра с большими порядковыми номерами самопроизвольно распадаются с выделением энергии. Для «цементирования» атомного ядра можно было бы добавить в ядро нейтроны, которые не обладают зарядом, однако, нейтроны также нестабильны, и распадаются на протон и электрон.

Дефект массы

Рис. 2. Дефект массы.

Дефект масс при образовании ядра выделяется в виде γ-квантов с энергией:

$$Е_{св}=ΔМc^2 = (Zm_p+(A-Z)m_n -М_я)c^2$$

Именно благодаря дефекту масс ядерное оружие обладает такой огромной разрушительной силой. При взрыве термоядерной бомбы протекает реакция образования гелия из дейтерия и трития. При образовании каждого грамма гелия выделяется энергия порядка $4.5×10^{11}$ Дж. Этой энергии хватит, чтобы нагреть от нуля до кипения более 1000 тонн воды !

Взрыв водородной бомбы

Рис. 3. Взрыв водородной бомбы.

Что мы узнали?

Протоны и нейтроны в ядрах удерживаются силами ядерного взаимодействия. Это самые мощные силы в Природе. Масса легкого ядра, как правило, меньше суммы масс отдельных входящих в него частиц. Разница в массе называется дефектом массы ядра. При образовании ядра дефект массы выделяется в виде энергии. Именно эта энергия поддерживает «горение» звезд, именно эта энергия выделяется при ядерных взрывах.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Заряд атомного ядра равен…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 170.

Предметы