Энергия связи ядер. Дефект массы. Ядерные силы.
Ядерные реакции.
1. 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.
2. 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 же энергия, какую 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.
3. 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 Wсв - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная
называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой mn, то
Dm=Zmp+(A-Z)mn-Mяд.
Вместо массы ядра Мяд величину Dm можно выразить через атомную массу Мат:
Dm=ZmН+(A-Z)mn-Mат,
где mH - масса водородного атома.
При практическом вычислении Dm массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы.
Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:
Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд]с2
Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
4. Удельной энергией связи ядра wсв называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон: wсв=. Величина wсв составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.
5. Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А=const).
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития - .
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Первая ядерная реакция
| 42He + 147N --> 178C + 11H |
была открыта в 1919 г. (Э. Резерфорд).
В другой реакции
| 42He + 94Be --> 126C + 10n, |
исследованной Дж. Чедвиком в 1932 г., был впервые обнаружен нейтрон 10n. Именно открытие нейтрона положило начало современной ядерной физике и стало окончательным крушением электромагнитной картины мира, в которой предполагалось существование только трех фундаментальных частиц: электрона, протона и фотона.
После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно - нейтронном строении ядра.
Одной из загадок нейтронов было то, что их не удавалось обнаружить в веществе в свободном состоянии. Впоследствии было выяснено, что причиной тому является их нестабильность. Каждый нейтрон вне ядра в течении нескольких минут самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино вследствие т.н. слабого взаимодействия.
Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:
| (α, n) - реакции | |
| (α, p) - реакции | |
| (n, α) - реакции | |
| (n, p) - реакции | |
| (n, γ) - реакции |
В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия:
Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2∙0,00055) + протоны (2∙1,0076) + нейтроны (2∙1,0089) = 4,0341.
В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет
Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рис. 1 приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.
На рис. 1 видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50. Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.
Ядерное деление используется для создания ядерного оружия или ядерных реакторов, в которых ядерные реакции поддаются управлению и которые являются основой атомных электрических станций (АЭС).
| Рисунок 2. Атомная бомба – самое страшное современное оружие. |
Атомные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. При этом поток нейтронов, взаимодействуя с ураном-235, образовал неустойчивый изотоп урана-236, способный к ядерному делению на осколочные ядра и выделению до трех нейтронов на атом.
В среднем при делении неустойчивого урана-236 образуются 2–4 нейтрона, что обеспечивает цепной механизм реакции ядерного деления. Такая ядерная реакция возможна с участием медленных (тепловых) нейтронов с энергией 5–10 эВ. Нейтроны с высокой энергией замедляются большой (критической) массой урана (в атомной бомбе) или специальными замедлителями (графит, тяжелая вода) и поглотителями нейтронов (бор, кадмий) в атомных реакторах. Это позволяет поддерживать скорость образования нейтронов в пределах, необходимых для выделения энергии, заданной конструкцией реактора.
Малое содержание природного изотопа урана-235 привело исследователей к необходимости использования других, более доступных делящихся ядер в реакторах-размножителях:
Изотопы и пригодны в качестве ядерного горючего.
Вторым направлением в ядерной энергетике является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции
| |
является ее высокая температура (десятки млн К).
Военный вариант этого синтеза был осуществлен в водородной бомбе, где необходимую начальную температуру создавал атомный взрыв:
Проблема получения термоядерной энергии несмотря на научные достижения далека от практической реализации.