Ядерные силы. Энергия связи нуклонов в ядре, дефект массы

Урок № 61-169 Ядерные силы. Энергия связи нуклонов в ядре, дефект массы. Ядерные

реакции Изотопы.

Ядерные силы – силы, действующие между ядерными частицами – нуклонами.

Свойства ядерных сил:

1. Это короткодействующие силы, действуют на расстояниях между нуклонами, порядка 10⁻¹⁵ м, и резко убывают при увеличении расстояния; при расстояниях 1,4 ∙ 10⁻¹⁵ м они уже практически равны 0.

2. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа, поэтому взаимодействие частиц в ядре часто называют сильными взаимо­действиями.

3. Ядерным силам свойственно насыщение, т.е. нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

4. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость. Это значит, что с одинаковой по модулю силой притягиваются друг к другу и заря­женные, и незаряженные частицы, т.е. сила притяжения F_рр между двумя протонами равна силе притяжения F_пп между двумя нейтронами и равна силе притяжения F_рп между протоном и нейтроном.

5. Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры этих зарядов.

6. Ядерные силы являются так называемыми обменными силами.

Обменные силы имеют квантовый характер, у них нет аналога в обычной физике. Взаимодействие между нуклонами возникает вследствие обмена между ними некоторой третьей частицей. Эту частицу называют π-мезоном, или пионом. Масса π -мезонов примерно в 280 раз больше массы электрона.

Устойчивость атомного ядра характеризуется энергией связи (Е_св.).

Точнейшие измерения показывают, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя со­ставляющих ее протонов и нейтронов: М_я< Zm_p+ Nm_n.

Дефект масс — величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммой масс покоя нуклонов и массой ядра М_я: ∆М=[Zm_p + (A—Z)m_n] — М_я, где m_p, m_n — массы протона и нейтрона, соответственно.

Энергия связи – минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны или энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро. Расчетная формула энергии связи:

Е _св=∆mc²= [Zm_p+(A—Z)m_n— М_я ]c² , где с=3·10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Если в этой формуле массы протона, нейтро­на и ядра выражены в килограммах, а скорость света — в метрах в секунду, то энергия связи Е_св будет измерена в джоулях. Одна­ко в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектрон-вольтах (МэВ): 1 МэВ = 1,6·10^{— 13} Дж.

Решая соответствующие задачи, можно получить энергию свя­зи в джоулях, а затем, если требуется, перевести ее в мегаэлектрон-вольты, разделив полученное число джоулей на 1,6·10^{— 13}. Но гораздо проще получить значение энергии связи в мегаэлектрон­вольтах, если оставить массы протона, нейтрона и ядра выражен­ными в атомных единицах массы и умножить дефект массы ∆М не на с², а на число 931. Одной атомной единице массы соответ­ствует энергия связи 931 МэВ. Е _св=931· ∆М или Е _св=931(Zm_p + Nm_n — М_я) МэВ

Энергия связи переходит в энергию излучае­мых при ядерных превращениях γ-квантов, ко­торая равна как раз Е_св, а масса которых: ∆М = Е /с².

Если в результате реакции Е=∆Мc² > 0, то энергия выделяется, если Е=∆М c² < 0 — поглощается.

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи ε_св.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, равна отношению энергии связи Е_св к массо­вому числу ядра атома А: ε_св=, Удельная энергия связи определяется экспериментально.

Ядерные реакции — процессы, происходящие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменя­ются квантовое состояние и нуклонный состав ис­ходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.

При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки делится на два ядра разных атомов. При реакциях синте­за происходит превращение легких ядер в более тяжелые.

ВНИМАНИЕ: Разница между хими­ческими и ядерными реакциями состоит в том, что в химических реакциях общее число атомов каждого опре­деленного элемента, а также атомы, состав­ляющие определенные вещества, остаются не­изменными. В ядерных реакциях изменяются и атомы, и элементы.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов Z и раз­личное число нейтронов n. Изотопы занимают одно и то же место в пери­одической системе элементов, откуда и произо­шло их название. По своим ядерным свойствам изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента опреде­ляются зарядом ядра, поскольку именно он вли­яет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элемен­тов. Изотопы водорода ¹Н — протий, ²Н — дейте­рий, ³Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и химические свойства различны. Дейтерий стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кис­лородом образуется тяжелая вода. Она при норма­льном атмосферном давлении кипит при 101,2°С и замерзает при 3,8°С. Тритий β-радиоактивен с пе­риодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изото­пы. У некоторых элементов имеются только не­стабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. В атомной индустрии все воз­растающую ценность для челове­чества представляют радиоактивные изотопы.

1 МэВ = 1,6·10^{— 13} Дж; 1 а.е.м.= 1,66∙10^-27 кг;

Задачи.

1. Определить полную энергию тела массой 10кг.

2.Вычислить дефект массы ядра изотопа неона двадцатого.Ne.

m_p=1, 6724 ∙10 ^-27кг; m_n =1, 6748 ∙10 ^-27кг; М_я=33,1888 ∙10 ^-27кг

3. Вычислить энергию связи ядра атома Li.

m_p=1, 6724 ∙10 ^-27кг; m_n =1, 6748 ∙10 ^-27кг; М_я=11,6475 ∙10 ^-27кг

4. При реакции деления ядер урана – 235 выделилось 1,204∙10²⁶ МэВ энергии. Определить массу распавшегося урана, если при делении одного ядра выделяется

200 МэВ энергии.

5. Какая минимальная энергия необходима для расщепления азота N на протоны и нейтроны? m_p=1,00783 а.е.м., m_n =1,0086 а.е.м., m_N=14,00307а.е.м.

6. Выделяется или поглощается энергия при следующих ядерных реакциях:

1). N+HeO+H; 2). Li+HHe+He; 3). Li+HeB+n

7. Вычислить энергию связи ядра атома дейтерия.

m _p=1,00728 а.е.м., m _n =1,00866 а.е.м., m_е =0,00055 а.е.м., М _{изотопа}= 2,01410 а.е.м.

8. Вычислить энергию связи ядер трития .

M _p=1,00728 а.е.м., m _n =1,00866 а.е.м., m_е =0,00055 а.е.м, М _{изотопа}=3,01602 а.е.м

3