Энергия связи ядра. Дефект массы

Вследствие наличия сильного ядерного взаимодействия, удерживающего нуклоны в ядре, для разделения ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить работу и затратить энергию. Эту энергию, необходимую для разделения ядра на составляющие его нуклоны, называют энергией связи ядраЕ_св. Согласно закону сохранения энергии для энергии связи можно записать

Е_Я + Е_св =åЕ_{Ni ,} (3.1)

где Е_Я - энергия неподвижного ядра, åЕ_Ni – суммарная энергия отдельных неподвижных нуклонов. Но, согласно Эйнштейну, известно, что энергия покоя любой частицы связана с его массой как Е= mc², поэтому можно записать

Е_св = åЕ_Ni - Е_Я = Σm_ic² – m_Яc² = (Zm_p + Nm_n – m_Я)) c²,(3.2)

где Σm_i – сумма масс покоящихся нуклонов, m_Я – масса ядра в покое. Так как энергия связи положительна, то получаем соответственно

Σ m_i - m_Я º Dm >0, (3.3)

полученное соотношение показывает, что масса покоя ядра меньше чем суммарная масса покоя содержащихся в нем нуклонов. Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что действительно масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Величину, равную разности масс нуклонов и массы атомного ядра Dm называют дефектом массы.

Часто вместо энергии связи используют энергию связи деленную на массовое число (энергия связи на один нуклон) δЕ_св = Е_св/А, которую называют удельной энергией связи. Эта величина так же как энергия связи характеризует устойчивость (прочность, стабильность) атомных ядер: чем большеδЕ_св, тем ядро устойчивее.

Эксперименты по делению ядер на нуклоны показывают, что удельная энергия связи δЕ_св зависит от массового числа А в соответствии с графиком на рисунке 17. Как следует из рисунка, удельная энергия связи сильно увеличивается в области легких ядер и очень немного уменьшается для тяжелых ядер, максимум в 8-8,8 МэВ/нуклон приходится на область с массовыми числами от 50 до 60, что соответствует наиболее стабильным ядрам.

Рис.17.Зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа.

При малых А, когда нуклонов мало в ядре, энергия ядерных сил мала, по мере увеличения А энергия значительно возрастает. Далее при увеличении А после А=60 удельная энергия связи постепенно уменьшается и составляет, например, для урана 7,6 МэВ/нуклон. Это уменьшение объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается отрицательная энергия кулоновского отталкивания, связь между нуклонами становится менее сильной, в результате чего ядра – менее прочными. Из зависимости удельной энергии связи от массовых чисел следует, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые.