Характеристики некоторых частиц

Название частицы	Символ (обозначение)	М а с с а п о к о я	Заряд, Кл
а.е.м.	кг
Электрон	е; _-1b⁰	0,00055	9,11×10^–31	-е = -1,6×10^–19
Протон	р; ₁Н¹	1,00728	1,672×10^-27	+е = 1,6×10^–19
Нейтрон	₀п¹	1,00867	1,675×10^-27
a-частица	a ; ₂Не⁴	4,00149	6,64×10^-27	+2е = 3,2×10^-19

Масса нейтральных атомов (а.е.м.)

Элемент	Изотоп	Масса	Элемент	Изотоп	Масса
Водород	₁Н¹	1,00783	Кислород	₈О¹⁶	15,99491
₁Н²	2,01410	₈О¹⁷	16,99913
₁Н³	3,01605	Фтор	₉F¹⁹	18,99840
Гелий	₂Не³	3,01603	Натрий	₁₁Na²²	21,99444
₂Не⁴	4,00260	₁₁Na²³	22,98977
Литий	₃Li⁶	6,01513	Магний	₁₂Mg²³	22,99414
Бериллий	₄Ве⁹	9,01219	Алюминий	₁₃Al²⁷	26,98154
Бор	₅В¹⁰	10,01294	₁₃Al³⁰	29,99817
₅В¹¹	11,00931	Фосфор	₁₅Р³²	31,97391
Углерод	₆С¹²	12,00000	Калий	₁₉K⁴¹	40,96184
₆С¹³	13,00335	Свинец	₈₂Pb²⁰⁶	205,97446
₆С¹⁴	14,00324	Полоний	₈₄Ро²¹⁰	209,98297
Азот	₇N¹³	13,00574	Уран	₉₂U²³⁵	235,04393
₇N¹⁴	14,00307	₉₂U²³⁸	238,05076

Любое атомное ядро состоит из Z протонов и A-Z нейтронов, удерживаемых вместе силами ядерного притяжения. Представьте себе, что мы обладаем способностью извлекать из ядра по очереди протоны и нейтроны и располагать их на расстоянии, значительно превышающем радиус действия ядерных сил.

Для извлечения нуклона из ядра нужно произвести работу по преодолению ядерных сил притяжения, т.е. необходимо затратить энергию для «растаскивания» ядра на нуклоны.

Энергией связи ядра E_св называется энергия, которую необходимо затратить на расщепление ядра на отдельные нуклоны.

Энергия покоя ядра может быть найдена как ; энергии отдельных нуклонов - .

По закону сохранения энергии . Отсюда

(4)

равна разности суммы масс входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на c². , следовательно, . Наблюдается дефект масс – масса ядра меньше массы составляющих его частиц.

Т.к. в справочных данных приводятся массы нейтральных атомов, то на практике используют другую формулу:

, (5)

где - масса электрона. Формулу (5) можно преобразовать к виду:

, (6)

где - масса атома водорода, - масса нейтрального атома. Формула (6) не точна, т. к. при расчете энергии связи пренебрегают энергией связи электрона с ядром. Но эта энергия пренебрежимо мала. Для практических расчетов удобнее выражать массы, входящие в формулу (6), не в килограммах, а в атомных единицах массы (а.е.м.). Тогда, учитывая, что

представляем (6) в виде

, (7)

где массы всех частиц выражены в а.е.м. В дальнейшем формулу (7) рекомендуется использовать для практических расчетов.

Пример: Найдем энергию связи ядра :

Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

. (8)

Пример: Найдем удельную энергию связи ядра :

Устойчивость ядер определяется удельной энергией связи. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивей ядро.

В таблицах принято указывать удельную энергию связи, то есть энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия

до 7,1 МэВ/нуклон у гелия

. Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно уменьшается у тяжелых элементов. Например, у урана

она составляет 7,6 МэВ/нуклон.

Рисунок 1. Удельная энергия связи ядер.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

В случае стабильных легкихядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются одинаковыми ( , , ). Под действием ядерных сил как бы образуются протон-нейтронные пары. Но у тяжелых ядер, содержащих большое число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания протонов для обеспечения устойчивости требуются дополнительные нейтроны. На рис.2 приведена диаграмма, показывающая числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, следующих за висмутом (Z > 83), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной.

Рисунок 2. Числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах.

Из рис. 1 видно, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые. В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии. В настоящее время оба процесса осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции.

Выполним некоторые оценки. Пусть, например, ядро урана делится на два одинаковых ядра с массовыми числами 119. У этих ядер, как видно из рис. 9.6.1, удельная энергия связи порядка 8,5 МэВ/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана 7,6 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон или более 200МэВ на один атом урана.

Рассмотрим теперь другой процесс. Пусть при некоторых условиях два ядра дейтерия сливаются в одно ядро гелия . Удельная энергия связи ядер дейтерия равна 1,1 МэВ/нуклон, а удельная энергия связи ядра гелия равна 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон или 24 МэВ на атом гелия.

Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжелых ядер.

<19 20 212223 24 25 >

Дата добавления: 2015-11-06; просмотров: 1601;