Энергия связи ядра: понятие, значение, формулы

Сегодня нам предстоит разобраться в сложном материале по ядерной физике, рассмотрим, что же такое энергия связи ядра.

Содержание

Определение энергии связи ядра
Связь с дефектом масс
Ядерные превращения, деление и слияние
Деление ядра
Слияние ядер
Формулы дефекта массы и энергии связи

Определение энергии связи ядра

Как мы знаем из законов электростатики, заряды одного знака отталкиваются. Это означает, что протоны, находящиеся в ядре атома, должны разлетаться в разные стороны под воздействием кулоновских сил. Однако, это не происходит из-за того, что энергия связи и ядерные силы значительно превышают кулоновские силы. Для того, чтобы лучше понять эту энергию, дадим ее определение.

Разрушение ядра атома на отдельные нуклоны требует выполнения работы, которую называют энергией связи.

Энергия связи — это показатель степени стабильности ядра, который можно интерпретировать и в обратном направлении, как энергию, необходимую для формирования ядра из отдельных частиц.

Чем выше значение энергии связи, тем более устойчиво ядро элемента. Однако следует отметить, что ядерные силы являются короткодействующими. При увеличении расстояния между частицами возрастает действие кулоновских сил, которые стремятся разрушить ядро. Этот феномен наблюдается в тяжелых элементах.

Связь с дефектом масс

Множество расчетов и наблюдений подтверждают, что масса покоя ядра всегда оказывается меньше массы покоя его составляющих протонов и нейтронов. Это явление называют дефектом масс.

Согласно теории относительности, масса и энергия взаимосвязаны уравнением Эйнштейна:

[wpremark preset_name=»check_bold_border_circle_icon» icon_show=»1″ icon_image=»check-circle-regular» icon_color=»#0dbc64″ icon_width=»32″ icon_height=»32″ icon_indent=»16″ background_show=»1″ background_color=»#ffffff» border_top=»1″ border_right=»1″ border_bottom=»1″ border_left=»1″ border_width=»2″ border_color=»#0dbc64″ shadow_show=»1″ shadow_x=»1″ shadow_y=»3″ shadow_blur=»0″ shadow_stretching=»1″ shadow_color=»#0dbc64″ shadow_opacity=»1″ title_show=»0″ title_bold=»0″ title_italic=»0″ title_underline=»0″ title_uppercase=»0″ title_font_size=»18″ title_line_height=»1.5″ text_bold=»0″ text_italic=»0″ text_underline=»0″ text_uppercase=»0″ padding_top=»20″ padding_right=»20″ padding_bottom=»20″ padding_left=»20″ margin_top=»20″ margin_right=»0″ margin_bottom=»20″ margin_left=»0″ border_radius=»40″]E = mc^2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света.[/wpremark]

Появление дефекта масс в атомном ядре возникает в результате снижения энергии покоя частицы. Это происходит из-за затрат на работу ядерных сил, которые удерживают нуклоны внутри ядра. Важно отметить, что энергия связи и дефект масс тесно связаны между собой.

Мы можем обозначить энергию связи и дефект масс. Эти понятия связаны уравнением:

Для измерения энергии связи используется мегаэлектронвольт (МэВ), а для измерения дефекта масс — атомная единица массы (а.е.м.). Зная значения этих величин, можно определить, сколько энергии необходимо для отделения одного нуклона от ядра. Такая энергия называется удельной и рассчитывается по следующей формуле:

А — нуклонное число, значение которого определяется по таблице Д.И. Менделеева. Для этого значение относительной атомной массы элемента округляется до ближайшего целого числа. Определение атомного номера является важным шагом в изучении свойств и характеристик химических элементов.

В химических и ядерно-физических исследованиях удельная энергия играет важную роль, поскольку она является показателем радиоактивности элемента. Элементы, которые наиболее устойчивы и не проявляют признаков радиоактивности, находятся в диапазоне порядковых номеров от 50 до 60. Однако, с увеличением атомной массы, удельная энергия связи уменьшается. Это происходит из-за растущих кулоновских сил, которые стремятся разделить ядро. Изотопы элементов с порядковыми номерами больше 82, как правило, являются радиоактивными. Они могут подвергаться спонтанным ядерным распадам, что приводит к изменению их свойств и химических реакций.

Ядерные превращения, деление и слияние

Взаимодействия между атомными ядрами могут происходить при изменении их кинетической энергии. В процессе ядерных превращений, энергия частиц может как увеличиваться, так и уменьшаться, что способствует превращению одних элементов в другие.

Два наиболее распространенных типа ядерных превращений — деление и слияние. При делении ядра, оно разделяется на две или более фрагментов, при этом выделяется большое количество энергии. Слияние же, наоборот, объединяет два ядра в одно, сопровождаясь также выделением энергии.

Такие процессы имеют огромное значение в ядерной энергетике и могут привести как к положительным, так и к негативным последствиям. Важно уметь контролировать и использовать энергию, выделяющуюся при ядерных превращениях, в соответствии с мировыми стандартами безопасности.

Деление ядра

Тяжелые ядра подвержены процессу деления, который можно описать следующим образом. Ядро можно представить как каплю жидкости, внутри которой находятся протоны и нейтроны. Нуклоны удерживаются вместе ядерными силами. Если свободный нейтрон попадает в ядро, оно деформируется, принимая вытянутую форму.

В результате этого кулоновские силы по краям получившегося эллипса увеличиваются, стремясь расщепить ядро на две части. Ядерные силы, наоборот, уменьшаются с увеличением расстояния между границами ядра. Под действием кулоновских сил ядро растягивается все больше, пока окончательно не разделится на две части.

Этот процесс искусственно можно наблюдать в ускорителях частиц и ионов. В ускорителе частиц разгоняют до больших скоростей, увеличивая их кинетическую энергию. Это позволяет преодолеть силу отталкивания между положительно заряженной частицей и протоном в ядре.

Первое искусственное деление ядер произошло при расщеплении лития на частицы альфа. Реакция превращения имеет определенный вид и позволяет изучать процессы деления ядер.

Оказалось, что нейтронный метод является более эффективным способом деления, поскольку нейтрон не имеет заряда и не подвержен влиянию кулоновских сил. Когда нейтрон поглощается алюминием, происходит следующая реакция:

В настоящее время широко применяется метод деления ядер урана с использованием нейтронов. В результате этого процесса выделяются несколько нейтронов, γ-лучи и огромное количество энергии. Именно на этой реакции основывается работа атомных электростанций.

Важно отметить, что вылетевшие нейтроны могут спровоцировать цепную реакцию. Они поглощаются соседними ядрами, которые также выделяют нейтроны, поглощаемые следующими ядрами, и так далее. Этот процесс может продолжаться бесконечно, обеспечивая стабильное производство энергии на электростанции.

Слияние ядер

Ядра легких элементов могут соединяться друг с другом, образуя новые элементы. Однако для этого требуются очень высокие температуры, поэтому такие процессы называют термоядерными.

На данный момент мы можем наблюдать только неуправляемые термоядерные реакции. Это происходит, когда звезды сливаются вместе, образуя новые элементы. Энергия, которая выделяется при таких процессах, значительно превышает энергию, которая выделяется при делении ядра.

Самой перспективной управляемой реакцией является слияние дейтерия с тритием. Она может стать ключевой технологией для производства энергии в будущем.

Однако задачу создания термоядерных процессов, которые были бы управляемыми, учёным ещё только предстоит решить, возможно, в недалёком будущем.

Формулы дефекта массы и энергии связи

Вычислить дефект масс несложно, ведь мы уже ознакомились с определением дефекта и знаем, что это не что иное, как разница между массами покоя нуклонов и массы покоя ядра. Используем для этого следующую формулу:

Z — количество протонов, равное заряду ядра элемента. Количество протонов в ядре совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д.И. Менделеева;
M_п — масса покоя протона, равная 1,00728 а.е.м.
N — количество нейтронов в ядре. Определяется как разность нуклонного числа (атомная масса элемента в целых числах) и количества протонов;
M_н — масса покоя нейтрона, равная 1,00866 а.е.м.
M_я — масса покоя атомного ядра.

Нам осталось лишь воспользоваться уравнением Эйнштейна и привести формулу для расчета энергии связи в ядре

А в данный момент большинство посетителей сайта дружно переходят на страницу: Математика 5 класс задача «Мама испекла пирог…»