Образовака🌡️ Физика9 классСтроение атома и атомного ядра. использование энергии атомных ядер

Энергия связи ядра

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 133.

Важнейшим понятием ядерной физики является понятие энергии связи ядра. Рассмотрим его подробнее.

Ядерные силы

По современным представлением ядро атома состоит из частиц, называемых элементарными – протонов и нейтронов (общее название – нуклоны).

Нуклоны похожи, но протон имеет положительный заряд и стабилен. Нейтрон не имеет заряда и в свободном состоянии распадается (период полураспада ~ 10 мин).

Казалось бы, существование ядер, состоящих из многих нуклонов невозможно – протоны, обладающие одинаковым зарядом, должны разлетаться. Нестабильные нейтроны должны распадаться.

Однако, в реальности многие атомы стабильны. Это происходит в результате ядерного взаимодействия. Ядерные силы на два порядка сильнее кулоновских сил, и их с запасом хватает на преодоление отталкивания протонов.

Но, если переносчики кулоновского взаимодействия – фотоны – не имеют массы покоя, и переносят взаимодействие на неограниченное расстояние, переносчики ядерного взаимодействия – глюоны или составленные из них мезоны – имеют массу, и осуществляют перенос взаимодействие на очень малые расстояния. В результате стабильными должны быть только ядра с очень небольшим числом протонов без нейтронов.

Энергия связи нуклонов

Возможность существований ядер с большим количеством протонов, а также стабильность нейтрона в составе ядра объясняется уровнем энергии связи. Ядерные силы удерживают нуклоны в ядре, и чтобы «извлечь» их оттуда, необходимо затратить энергию. Оказывается, что система из отдельных нуклонов обладает большей энергией, чем система, где нуклоны связаны. Любые процессы в Природе идут в сторону уменьшения энергии системы, поэтому нейтрон в составе ядра не распадается – это энергетически невыгодно, энергия связи удерживает его от распада. Эта же энергия удерживает протоны вместе. Лишь когда число нуклонов слишком велико, энергии связи ядра оказывается недостаточно – в этом случае протоны могут разлететься, и нейтроны также теряют стабильность.

Энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Как только частицы оказываются в зоне действия ядерных сил – они устремляются друг к другу с огромным ускорением, излучая энергию связи в виде γ-квантов. Для того, чтобы расщепить ядро, необходимо вновь затратить эту энергию.

Уровень энергии связи

Для оценки энергии используется формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию:

$$Е=mc^2$$

Теперь, если измерить массу отдельных частиц, а потом общую массу ядра – можно оценить энергию связи. Измерения показывают, что для легких элементов масса ядра оказывается меньше, чем сумма масс входящих в него частиц. А значит, подставив эту разницу в формулу энергии, можно получить формулу энергию связи ядра:

$$Е_{св} = (Zm_p+(A-Z)m_n -М_я)c^2$$

где:

$Е_{св}$ – энергия связи ядра;
$Z$ – число протонов в ядре (порядковый номер элемента);
$А$ – общее число нуклонов в ядре (массовое число).
$m_p$ – масса протона;
$m_n$ – масса нейтрона;
$М_я$ – масса ядра;
с – скорость света.

Удельная энергия связи

Таким образом, наиболее устойчивыми должны оказаться ядра со средним числом нуклонов в ядре. Объясняется это тем, что энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, называемая удельной энергией связи, в таких ядрах максимальна. Прямые измерения подтверждают это.

Можно построить график зависимости значения удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре:

Рис. 3. График удельной энергии связи ядра.

Если поглядеть на представленный график удельной энергии связи ядра, можно видеть, что реакции сливания ядер выгодны только для легких элементов вплоть до железа. Поэтому наиболее распространенными элементами в Природе (не считая простейшего водорода) являются Гелий-4 (дающий наибольший прирост удельной энергии связи при термоядерной реакции), и элементы с ядрами не тяжелее железа. Количество атомов даже стабильных, но более тяжелых элементов в Природе очень невелико.

Что мы узнали?

Частицы в ядре удерживаются ядерными силами. За счет энергии связи масса ядра получается меньше суммы масс входящих в него частиц. Наиболее стабильными являются ядра с максимальной удельной энергией связи.