Энергия связи атомных ядер

«Мы хотим не только знать, как устроена природа

(и как происходят природные явления), но и по

возможности достичь цели, может быть, утопической

 и дерзкой на вид, - узнать, почему природа

является именно такой, а не другой»

Альберт Эйнштейн

Все больше и больше углубляясь в физику атомного ядра, человечество приближается к разгадкам величайших тайн природы.

В прошлой теме говорилось о протонно-нейтронной моделью атомного ядра. Еще в 1913 году Эрнест Резерфорд сделал предположение, что в ядра атомов всех химических элементов входит ядро атома водорода, которое впоследствии стало называться протоном. Только в 1919 году Резерфорду удалось доказать, что его гипотеза верна. При бомбардировке ядер атомов азота a-частицами, образовывались ядра атомов совсем других химических элементов: кислорода и водорода. Однако очень скоро стало ясно, что в состав атомного ядра входят еще какие-то частицы. В 1932 году Джеймсу Чедвику и его группе удалось зарегистрировать частицу, которая выбивалась из ядра атома бериллия при бомбардировке a-частицами. Выяснилось, что эта частица электрически нейтральна и обладает массой, приблизительно равной массе протона. Такую частицу называли нейтроном. После открытия протона и нейтрона была предложена протонно-нейтронная модель атома, согласно которой, ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Тогда возник вопрос: каким образом, нуклоны удерживаются в ядре, несмотря на электростатическое отталкивание между протонами? Силы, действующие в пределах атомных ядер, называются ядерными силами. Эти силы являются самыми мощными силами в природе. Ну а раз в ядре действуют такие мощные силы, значит, там сосредоточена значительная энергия. Эту энергию стали называть энергией связи. То есть, энергия связи – это энергия, которая потребовалась бы, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны. Известно, что в результате экспериментов были определены массы протона и нейтрона. Но когда начали определять массу атомных ядер, выяснилась очень интересная особенность: масса ядра атома всегда оказывалась меньше, чем сумма масс, входящих в него частиц.

Для примера рассмотрим ядро атома кислорода.

Порядковый номер кислорода в таблице Менделеева – это 8, а массовое число – 16. Значит, в ядре атома кислорода содержится 8 протонов и 8 нейтронов. Ядро атома данного изотопа кислорода имеет массу, равную 15,9949. Поскольку масса протона, как и масса нейтрона, чуть больше одной атомной единицы массы, ясно, что их суммарная масса будет больше массы ядра атома кислорода. Такую разницу назвали дефектом масс. То есть, дефект масс – это разность между суммарной массой нуклонов, входящих в состав атомного ядра и массой самого ядра.

Но куда же пропадает эта масса? Дело в том, что при образовании ядра была затрачена некоторая энергия. В соответствии с известным уравнением Эйнштейна, масса может превращаться в энергию, и, наоборот – энергия – в массу.

Именно таким образом можно определить энергию связи ядер. Для этого нужно дефект масс умножить на скорость света в квадрате, и мы получим энергию в джоулях.

Но, обратите внимание, что в данной формуле масса должна измеряться в килограммах, а не в атомных единицах. Для удобства в атомной физике используют другую формулу: дефект масс в атомных единицах умножают на 931,5, и получают энергию в мегаэлектрон-вольтах.

Дело в том, что

На сегодняшний день известно, что дефект масс присутствует во всех ядрах, кроме ядра протия, поскольку ядро протия состоит из одного протона.

Возьмем произвольный элемент и обозначим его . Число протонов в ядре атома данного элемента равно зарядовому числу (то есть, Z). Число нейтронов в этом ядре равно разности между числом нуклонов и числом протонов (т.е., ). Тогда, дефект масс

Энергия связи равна

Ещё раз обратите внимание, что в данной формуле дефект масс должен быть выражен в атомных единицах массы, а энергия получится в мегаэлектрон-вольтах (МэВ).

Ещё одной очень важной величиной в атомной физике является удельная энергия связи. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Эта величина характеризует, насколько стабильны те или иные ядра атомов.

На рисунке представлен график зависимости удельной энергии связи от массового числа. Как видно из графика, легкие ядра обладают довольно малой энергией связи (за исключением гелия два четыре ). К середине таблицы Менделеева энергия связи достигает максимального значения, а к концу – снова начинает убывать. То есть, для получения ядерной энергии разумно либо синтезировать легкие ядра, либо делить тяжелые ядра. Известно, что на данный момент человечество использует деление тяжелых ядер. Во многих ядерных реакторах происходит деление ядер урана. Синтез легких ядер происходит на Солнце, в результате чего освобождается колоссальное количество энергии, которое в частности передается Земле в виде света и тепла.

Разумеется, физики стремятся найти способ контролировать такие процессы, то есть, получить управляемую термоядерную реакцию. На сегодняшний день, эта цель ещё не достигнута. Термоядерная реакция на данный момент, неуправляема и реализована только при создании водородной бомбы (разумеется, если цель – это создать взрыв, то управляемая реакция не нужна).

Тем не менее, уже сегодня существуют установки, которые называются «Токамак» - тороидальная камера с магнитными катушками.

В этих установках с помощью магнитных полей удерживается плазма, с помощью которой планируют осуществить управляемый термоядерный синтез. Поскольку плазма – это ионизированный газ, она подвержена влиянию магнитных полей. Таким образом, плазма скручивается в шнур и не касается стенок камеры, не принося ей никакого вреда. Поэтому, есть основания полагать, что в скором времени люди всё-таки научатся управлять термоядерными реакциями.

Упражнения.

Задача 1. Определите энергию связи ядра Fe-56 в МэВ и найдите удельную энергию связи.

Задача 2. Найдите массу урана 238, расходуемую АЭС для выделения того же количества энергии, которое расходует ТЭС при сжигании 100 т нефти?

Основные выводы:

– Дефект масс – это разность между суммарной массой нуклонов, входящих в состав ядра и массой самого ядра.

– Дефект масс возникает из-за того, что на образование атомных ядер затрачивается энергия – энергия связи. Эту энергию можно вычислить в соответствии с формулой Эйнштейна, которая описывает взаимосвязь между энергией и массой.

– Для вычисления энергии связи в мегаэлектрон-вольтах можно воспользоваться более простой формулой, с которой мы также познакомились на сегодняшнем уроке.

– Удельная энергия связи – то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

– Основной задачей ядерной физики является получение управляемой термоядерной реакции.