Энергія сувязі атамнага ядра: формула, значэнне і вызначэнне

Кожнае з атамных ядраў абсалютна любога хімічнага рэчыва складаецца з вызначанага набору пратонаў і нейтронаў. Яны ўтрымліваюцца разам дзякуючы таму, што ўнутры часціцы прысутнічае энергія сувязі атамнага ядра.

Характэрнай асаблівасцю ядзерных сіл прыцягнення з'яўляецца іх вельмі вялікая магутнасць на параўнальна маленькіх адлегласцях (прыкладна ад 10 ^-13 см). З ростам адлегласці паміж часціцамі слабеюць і сілы прыцягнення ўнутры атама.

Тое, што закранае энергіі сувязі ўнутры ядра

Калі ўявіць, што маецца спосаб аддзяляць па чарзе ад ядра атама пратоны і нейтроны і размяшчаць іх на такой адлегласці, каб энергія сувязі атамнага ядра пераставала дзейнічаць, то гэта павінна быць вельмі цяжкай працай. Для таго каб атрымаць з ядра атама яго складнікі, трэба пастарацца пераадолець внутриатомные сілы. Гэтыя высілкі пойдуць на тое, каб падзяліць атам на якія змяшчаюцца ў ім нуклоны. Таму можна меркаваць, што энергія атамнага ядра менш чым энергія тых часціц, з якіх яно складаецца.

Роўная Ці маса внутриатомных часціц масе атама?

Ужо ў 1919 годзе даследчыкі навучыліся вымяраць масу атамнага ядра. Часцей за ўсё яго «узважваюць» пры дапамозе адмысловых тэхнічных прыбораў, якія атрымалі назву мас-спектрометраў. Прынцып працы такіх прыбораў складаецца ў тым, што параўноўваюцца характарыстыкі руху часціц з рознымі масамі. Пры гэтым такія часціцы маюць аднолькавыя электрычныя зарады. Падлікі паказваюць, што тыя часціцы, якія валодаюць рознымі паказчыкамі масы, рухаюцца па розных траекторыях.

Сучасныя навукоўцы высветлілі з вялікай дакладнасцю масы ўсіх ядраў, а таксама ўваходзяць у іх склад пратонаў і нейтронаў. Калі ж параўнаць масу пэўнага ядра з сумай мас змяшчаюцца ў ім часціц, то апынецца, што ў кожным выпадку маса ядра будзе больш, чым маса асобна ўзятых пратонаў і нейтронаў. Гэтая розніца складзе прыблізна 1% для любога хімічнага рэчыва. Таму можна зрабіць выснову, што энергія сувязі атамнага ядра - гэта 1% энергіі яго спакою.

Ўласцівасці унутрыядзерных сіл

Нейтроны, якія знаходзяцца ўнутры ядра, адштурхваюцца адзін ад аднаго кулонаўскімі сіламі. Але пры гэтым атам не распадаецца на часткі. Гэтаму спрыяе прысутнасць сілы прыцягнення паміж часціцамі ў атаме. Такія сілы, якія маюць прыроду, выдатную ад электрычнай, называюцца ядзернымі. А ўзаемадзеянне нейтронаў і пратонаў называецца моцным узаемадзеяннем.

Сцісла ўласцівасці ядзерных сіл зводзяцца да наступных:

• гэта зарадавых незалежнасць;
• дзеянне толькі на кароткіх адлегласцях;
• а таксама насыщаемость, пад якой разумеецца утрымліванне адзін каля аднаго толькі пэўнай колькасці нуклонов.

Па законе захавання энергіі, у той момант, калі ядзерныя часціцы злучаюцца, адбываецца выкід энергіі ў выглядзе выпраменьвання.

Энергія сувязі атамных ядраў: формула

Для згаданых вылічэнняў выкарыстоўваецца агульнапрынятая формула:

Е _св = (Z · _m p + (AZ) · _m n -M _я) · c²

Тут пад Е _св разумеецца энергія сувязі ядра; с - хуткасць святла; Z -количество пратонаў; (AZ) - лік нейтронаў; _m p пазначае масу пратона; а _m n - масу нейтрона. M _я пазначае масу ядра атама.

Унутраная энергія ядраў розных рэчываў

Каб вызначыць энергію сувязі ядра, выкарыстоўваецца адна і тая ж формула. Вылічаць па формуле энергія сувязі, як раней ужо было паказана, складае не больш за 1% ад агульнай энергіі атама або энергіі спакою. Аднак пры дэталёвым разглядзе аказваецца, што гэты лік даволі моцна вагаецца пры пераходзе ад рэчывы да рэчыва. Калі паспрабаваць вызначыць яго дакладныя значэння, то яны будуць асабліва адрознівацца ў так званых лёгкіх ядраў.

Напрыклад, энергія сувязі ўнутры вадароднага атама складае нуль, таму што ў ім знаходзіцца толькі адзін пратон. Энергія сувязі ядра гелія будзе роўная 0,74%. У ядраў рэчывы пад назвай трыцій гэты лік будзе роўна 0,27%. У кіслароду - 0,85%. У ядрах, дзе знаходзіцца каля шасцідзесяці нуклонов, энергія внутриатомной сувязі будзе складаць каля 0,92%. Для атамных ядраў, якія валодаюць большай масай, гэты лік будзе паступова змяншацца да 0,78%.

Каб вызначыць энергію сувязі ядра гелія, трыція, кіслароду, ці ж любога іншага рэчывы, выкарыстоўваецца тая ж формула.

Тыпы пратонаў і нейтронаў

Асноўныя прычыны падобных адрозненняў могуць быць растлумачаны. Навукоўцы высветлілі, што ўсе нуклоны, якія ўтрымліваюцца ўнутры ядра, дзеляцца на дзве катэгорыі: паверхневыя і ўнутраныя. Унутраныя нуклоны - гэта тыя, што аказваюцца акружаны іншымі пратонамі і нейтронах з усіх бакоў. Павярхоўныя жа акружаны імі толькі знутры.

Энергія сувязі атамнага ядра - гэта сіла, якая выяўленая больш у ўнутраных нуклонов. Нешта падобнае, дарэчы, адбываецца і пры павярхоўным нацяжэнні розных вадкасцяў.

Колькі нуклонов змяшчаецца ў ядры

Высветлена, што колькасць унутраных нуклонов асабліва мала ў так званых лёгкіх ядраў. А ў тых, што ставяцца да катэгорыі самых лёгкіх, практычна ўсе нуклоны расцэньваюцца як павярхоўныя. Лічыцца, што энергія сувязі атамнага ядра - гэта велічыня, якая павінна расці з колькасцю пратонаў і нейтронаў. Але нават такі рост не можа працягвацца да бясконцасці. Пры пэўным колькасці нуклонов - а гэта ад 50 да 60 - прыходзіць у дзеянне іншая сіла - іх электрычнае адштурхванне. Яно адбываецца нават незалежна ад наяўнасці энергіі сувязі ўнутры ядра.

Энергія сувязі атамнага ядра ў розных рэчывах выкарыстоўваецца навукоўцамі для таго, каб вызваліць ядзерную энергію.

Многіх навукоўцаў заўсёды цікавіла пытанне: адкуль узнікае энергія, калі больш лёгкія ядра зліваюцца ў цяжкія? На самай справе, дадзеная сітуацыя аналагічная атамным падзелам. У працэсе зліцця лёгкіх ядраў, сапраўды гэтак жа, як гэта адбываецца пры расшчапленні цяжкіх, заўсёды ўтворацца ядра больш трывалага тыпу. Каб "дастаць" з лёгкіх ядраў ўсё змешчаныя ў іх нуклоны, патрабуецца выдаткаваць менш колькасць энергіі, чым тое, што вылучаецца пры іх аб'яднанні. Адваротнае зацвярджэнне таксама з'яўляецца дакладным. На самай справе энергія сінтэзу, якая прыпадае на пэўную адзінку масы, можа быць і больш удзельнай энергіі дзялення.

Навукоўцы, якія даследавалі працэсы дзялення ядра

Працэс дзялення ядра быў адкрыты навукоўцамі Ганом і Штрасманом ў 1938 годзе. У сценах Берлінскага хімічнага універсітэта даследчыкі адкрылі, што ў працэсе бамбардзіроўкі ўрану іншымі нейтронах, ён ператвараецца ў больш лёгкія элементы, якія стаяць у сярэдзіне табліцы Мендзялеева.

Немалы ўнёсак у развіццё гэтай галіне веды ўнесла і Ліза Мэйтнер, якой Ган ў свой час прапанаваў вывучаць радыеактыўнасць разам. Ган дазволіў Мэйтнер працаваць толькі на той умове, што яна будзе праводзіць свае даследаванні ў падвале і ніколі не стане падымацца на верхнія паверхі, што было фактам дыскрымінацыі. Аднак гэта не перашкодзіла дасягнуць ёй значных поспехаў у даследаваннях атамнага ядра.