Энергия связи ядра. Дефект массы

Атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Измерения показали, что масса ядра меньше чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но, поскольку всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то при образовании ядра должна выделяться определенная энергия и, соответственно, для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра:

Е_св = [Zm_p + Nm_n – m_я]c² = [Zm_p + (A – Z)m_n – m_я]c²,

где m_n, m_p и m_я – массы нейтрона, протона и ядра. Е_св = Δmc². Величина Δm = =[Zm_p + (A –Z)m_n – m_я] называется дефектом массы ядра.

Вместо энергии связи часто рассматривают удельную энергию связи ΔЕ_св = , т.е. энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер.

 

Из зависимости ΔЕ_св от А видно, что тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это значит, что энергетически выгодными являются процессы деления тяжелых ядер на более легкие и слияние (синтез) легких ядер друг с другом в более тяжелые.

 

Радиоактивность

Радиоактивность – это способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивные излучения бывают трех видов: α-, β- и g-излучение.

Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, а возникающее ядро – дочерним.

Закон радиоактивного распада , где N₀ – начальное число не распавшихся ядер, N – число не распавшихся ядер в момент времени t, l -постоянная радиоактивного распада.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуется периодом полураспада. Период полураспада (Т_1/2) – это время, за которое исходное число ядер уменьшается вдвое:

.

 

α-распад. Правило смещения

Поток α - частиц отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностями. α - излучение представляет собой поток ядер гелия. Заряд α - частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра гелия _. Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, которые являются следствием законов сохранения электрического заряда и массовых чисел. Для α - распада правило смещения: , где Х – материнское ядро, Y – дочернее ядро,  - ядро гелия (α - частица). α-частица образуется в момент распада при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.

 

 β- распад

Поток β – частиц также отклоняется электрическим и магнитным полями. Его ионизирующая способность гораздо ниже, чем у α - частиц, а проникающая способность – выше. Β β - излучение представляет собой поток быстрых электронов. Оно подчиняется правилу смещения: , где  - электрон (β - частица).

β – электрон образуется при превращении одного из нейтронов в протон с одновременным образованием электрона и вылетом элементарной частицы – антинейтрино: .

 

 

G -излучение

g -излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает слабой ионизирующей и очень сильной проникающей способностью. g - излучение представляет собой электромагнитные волны с очень малой длиной волны l< 10^{-10 м. Его рассматривают как поток частиц -} g -квантов (фотонов). g -излучение не является самостоятельным видом радиоактивного излучения, а только сопровождает a - и b - распады.

При g - излучении A и Z ядра не изменяются, поэтому оно не подчиняется правилу смещения.

 

Ядерные реакции

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.

Символически ядерные реакции записываются так: X + a ® Y + b, где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая частицы. В любой реакции выполняется закон сохранения электрических зарядов и массовых чисел.