Дефект массы и энергия связи ядра

Для того чтобы разделить ядро на отдельные свободные нуклоны необходимо произвести работу  против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Ясно, что эта работа .

Известно, что энергия покоя частицы связана с ее массой как . Значит, энергия покоя ядра меньше суммы энер­гий покоя свободных нуклонов, входящих в состав данного ядра, на величину работы . Из закона сохранения энергии имеем:

 

.

 

На практике используется не работа, а величина, определяемая с обратным знаком и называемая энергией связи ядра, . Тогда закон сохранения энергии можно записать в виде

 

.

 

Перепишем это выражение через массы атомов, которые содержатся в физических таблицах. Для этого добавим и вычтем к правой части предыдущего равенства массу электронов, содержащихся в атоме, т.е. :

 

Здесь  – масса атома водорода , – масса атома. Итак,

 

.

 

В физических таблицах обычно приводятся не массы   ядер, а массы т атомов. Так как     на величину ,то во второй формуле первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но масса атома отличается от мас­сы ядра как раз на Z электронов, поэтому вычисления по обеим формулам приво­дят к одинаковым результатам.

 

Величина

называется дефектом массы ядра.

 

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон,

 

,

 

называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. На рис. 12.3 изображена зависимость удельной энергии связи от массового числа A.

Рис. 12.3

Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50–60 (от Cr до Zn). Для них  МэВ/нуклон. С ростом A  

уменьшается. Так для урана  МэВ/нуклон. Это уменьшение обусловлено тем, что с возрас­танием числа протонов в ядре увеличивается и энер­гия их кулоновского отталкивания.

Такая зависимость, изображенная на рис. 12.3, делает энергетически возможными два процесса:

1) деление тяже­лых ядер на более легкие ядра;

2) слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые ядра.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и тер­моядерные реакции).

 

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних нестабильных атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц (Беккерель 1896).

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной.

Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.

 

Виды радиоактивного излучения:

 

α–излучение

Отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Представляет собой поток ядер гелия; заряд α–частицы равен +2е, а мас­са совпадает с массой ядра изотопа гелия . По отклонению α–частиц в электрическом и магнитном полях был определен их удельный заряд  (рис. 12.4),значение которого подтвердило правильность представлений об их природе.

 

β–излучение

Отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а прони­кающая способность гораздо больше, чем у α–частиц. Представляет собой поток быстрых электронов.

γ–излучение

Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относи­тельно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникаю­щей способностью, при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. явля­ется потоком частиц – γ-квантов (фотонов).

 

Рис. 12.4