Encyklopedia 

Tryt - co to jest? masa trytu. Defekt masy jąder atomowych. Energia wiązania

Ponieważ nukleony w jądrze są związane siłami jądrowymi, rozbicie jądra na protony i neutrony wymaga dużej ilości energii. Ta sama energia jest uwalniana, gdy wolne protony i neutrony łączą się, tworząc jądro. Ta energia nazywana jest energią wiązania jądra. Zgodnie z teorią względności Einsteina energia odpowiada masie. Dlatego masa jądra musi być mniejsza niż suma mas wchodzących w jego skład wolnych protonów i neutronów. Różnica między sumą mas spoczynkowych wolnych protonów i neutronów, z których zbudowane jest jądro, a masą jądra nazywa się defekt masy jądrowej. Energia wiązania to: mi sv = OD 2×D m

D m jest defekt masy jądrowej.

Energia wiązania wyrażana jest w megaelektronowoltach (MeV) (MeV=106 EV). Ponieważ jednostka masy atomowej (j.m.) jest równa 1,66 × 10-27 kg, możemy wyznaczyć odpowiadającą jej energię:

Za pomocą spektrografu mas zmierzono masy wszystkich izotopów i obliczono wartości defektu masy i energii wiązania dla wszystkich jąder, które są wykorzystywane do obliczania reakcji jądrowych. Jeżeli w jakiejś reakcji otrzymuje się jądra i cząstki, których łączna masa jest mniejsza niż pierwotnych jąder i cząstek, to w takich reakcjach uwalniana jest energia; jeśli więcej, to jest wchłaniany i taka reakcja nie nastąpi samoistnie.

Przeprowadźmy obliczenia energetyczne reakcji jądrowej przemiany radu w radon: . Energia wiązania pierwotnego jądra wynosi 1731,6 MeV, a całkowita energia wiązania powstałych jąder wynosi 1708,2+28.3=176,5 MeV i jest większa od energii wiązania pierwotnego jądra o 4,9 MeV. Dlatego ta reakcja uwalnia energię 4,9 MeV, czyli zasadniczo energia kinetyczna cząstki g.

Bardzo ważne ma energię wiązania na nukleon. Im jest większy, tym silniejszy rdzeń. Najtrwalsze rdzenie średnie. Lekkie jądra nie wykorzystują w pełni swojej energii wiązania. Ciężkie jądra są osłabiane przez siły odpychające kulombowskie, które w przeciwieństwie do jądrowych działają między wszystkimi nukleonami jądra. Wynika z tego ważny wniosek: energia jest uwalniana, gdy tworzą się jądra środkowe. Dzieje się tak przy podzieleniu ciężkiego jądra na dwa średnie w reaktor nuklearny lub w syntezie środkowego jądra z dwóch lżejszych. Są to reakcje syntezy termojądrowej zachodzące na Słońcu i gwiazdach.

CELE DLA JEDNOSTKI 25

1. W co zamienia się izotop toru, którego jądro ulega trzem kolejnym rozpadom.

Rozwiązanie:

Gdy emitowana jest cząstka a, ładunek jądrowy zmniejsza się o 2 jednostki, a liczba masowa o 4 jednostki, co oznacza, że ​​przy emisji 3 cząstek a ładunek jądrowy zmniejsza się o 2 × 3 = 6 jednostek, a masa liczba o 4 × 3 = 12 jednostek, a następnie otrzymujemy izotop zgodnie z tabelą, stwierdzamy, że jest to polon lub

2. Kiedy azot jest bombardowany neutronami, powstają dwa izotopy, z których jeden jest izotopem wodoru, którego pierwiastek powstaje w tej reakcji jądrowej.

W ta sprawa zachodzi reakcja jądrowa, w wyniku której powstaje nieznany izotop X.

W reakcjach jądrowych liczba nukleonów i ładunku są zachowane, więc suma indeksów dolnych i górnych jest stała.

Zgodnie z układem okresowym stwierdzamy, że węgiel otrzymuje się:

W ten sposób:

3. Dodaj reakcję jądrową:

Ustalamy, że nieznana cząstka ma numer ładunku 1 i masę 1, co oznacza, że ​​izotop wodoru , tj. proton, tj. mamy:

4. Znajdź energię odpowiadającą 1 w nocy Wyraź to w MeV.

Rozwiązanie:

E \u003d m c 2

m\u003d 1 amu \u003d 1,66 × 10 -27 kg

OD= 3 × 10 8 m/s

mi\u003d 1,66 × 10 -27 × (3 × 10 8) 2 \u003d 14,94 × 10 -11 J

1 EV = 1,6 × 10 -19 J

A więc: 1 w nocy odpowiada 931 MEV.

5. Oblicz energię jądra trytu, jeśli masa protonu poseł= 1.00814 amu, masa neutronów m n= 1.00898 i masa atomu trytu ALE= 3,01700 amu


Dany:

poseł= 1.00814 amu

m n = 1,00898

A = 3.01700 amu

__________________

E St – ?


Rozwiązanie:

Jądro trytu: składa się z jednego protonu i dwóch neutronów, których łączna masa wynosi: m p + 2 m n = 1.00814 + 2 × 1.00898 = = 3.02610

Więc wada masy to:

D m= 3.02610 - 3.01700 amu = 0,00910 amu

dlatego 1 amu - 931 MEV; następnie E St= 931×D m lub

E St= 931 × 0,00910 (MEV) = 8,5 MeV

Odpowiedź: 8,5 MeV


6. Energia jest uwalniana lub pochłaniana w reakcji:

Można było obliczyć energię wiązania każdego jądra, ale można też skorzystać ze specjalnej tabeli:

Całkowita masa jąder i cząstek przed reakcją: 39,2 + 28,3 = 67,5 MEV

po reakcji: 64,7 + 0 = 64,7 MeV

Oznacza to, że w takiej reakcji pochłaniana jest energia: 67,5 - 64,7 = 2,8 MeV

7. Określ energię w reakcji:

przed reakcją: 2,2 + 2,2 = 4,4 MEV

po reakcji: 8,5 MeV

uwolniona energia: 8,5 - 4,4 = 4,1 MeV

8. Istnieją 4 g radioaktywnego kobaltu. Ile gramów kobaltu rozpada się w ciągu 216 dni, jeśli jego okres półtrwania wynosi 72 dni?


Dany:

m 0 = 4 g

T= 216 dni

T= 72 dni

D m – ?


Rozwiązanie:

Ponieważ masa substancji jest wprost proporcjonalna do liczby atomów, to: DN=N 0 - N;

Oznacza:

Oznacza to: i

Odpowiedź: 3,5g


9. Jest 8 kg radioaktywnego cezu. Określ masę nierozłożonego cezu po 135 latach rozpadu promieniotwórczego, jeśli jego okres półtrwania wynosi 27 lat.

Niedawno ludzie wierzyli, że atom jest integralną niepodzielną cząsteczką. Później okazało się, że składa się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Jednocześnie część środkowa została ponownie uznana za niepodzielną i integralną. Dziś wiemy, że składa się z protonów i neutronów. Co więcej, w zależności od liczby tych ostatnich, ta sama substancja może mieć kilka izotopów. Więc tryt jest dla substancji, jak go zdobyć i wykorzystać?

Tryt - co to jest?

Wodór jest najprostszą substancją w przyrodzie. Jeśli mówimy o jego najczęstszej postaci, która zostanie omówiona bardziej szczegółowo poniżej, to jego atom składa się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. Może jednak przyjmować również „dodatkowe” cząstki, które nieco zmieniają jego właściwości. Tak więc jądro trytu składa się z protonu i dwóch neutronów. A jeśli protium, to jest ich najwięcej prosta forma wodór – tego nie można powiedzieć o jego „ulepszonej” wersji – w naturze występuje w małe ilości.

Tryt izotopu wodoru (nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „trzeci”) został odkryty w 1934 roku przez Rutherforda, Oliphanta i Hartecka. I faktycznie, bardzo długo i ciężko próbowali go znaleźć. Natychmiast po odkryciu deuteru i ciężkiej wody w 1932 roku naukowcy rozpoczęli poszukiwania tego izotopu poprzez zwiększenie czułości konwencjonalnego wodoru. Jednak mimo wszystko ich próby poszły na marne - nawet w najbardziej skoncentrowanych próbkach nie udało się uzyskać choćby śladu obecności substancji, która była po prostu zobowiązana do istnienia. Ostatecznie jednak poszukiwania zakończyły się sukcesem – Oliphant zsyntetyzował pierwiastek przy pomocy laboratorium Rutherforda.

Krótko mówiąc, definicja trytu jest następująca: radioaktywny izotop wodoru, którego jądro składa się z protonu i dwóch neutronów. Więc co o nim wiadomo?

O izotopach wodoru

Pierwszy pierwiastek w układzie okresowym jest również najczęstszym pierwiastkiem we wszechświecie. Jednocześnie występuje w naturze w postaci jednego z trzech jej izotopów: protium, deuteru lub trytu. Jądro tego pierwszego składa się z jednego protonu, od którego pochodzi jego nazwa. Nawiasem mówiąc, to jedyny stabilny pierwiastek, który nie ma neutronów. Następnym w serii izotopów wodoru jest deuter. Jądro jego atomu składa się z protonu i neutronu, a nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „drugi”.

W laboratorium uzyskano również cięższe izotopy wodoru o liczbach masowych od 4 do 7. Ich okres półtrwania ograniczony jest do ułamków sekund.

Nieruchomości

Masa atomowa trytu wynosi około 3,02 amu. e. m. Według własnych właściwości fizyczne substancja ta prawie nie różni się od zwykłego wodoru, czyli w normalne warunki Jest gazem lekkim, bezbarwnym, bez smaku i zapachu o wysokiej przewodności cieplnej. W temperaturze około -250 stopni Celsjusza staje się lekką i lejącą się bezbarwną cieczą. Przedział, w którym znajduje się w tym stanie agregacji, jest raczej wąski. Temperatura topnienia wynosi około 259 stopni Celsjusza, poniżej której wodór staje się masą przypominającą śnieg. Ponadto pierwiastek ten jest dość rozpuszczalny w niektórych metalach.

Istnieją jednak pewne różnice we właściwościach. Po pierwsze, trzeci izotop jest mniej reaktywny, a po drugie, tryt jest radioaktywny, a zatem niestabilny. ma nieco ponad 12 lat. W procesie radiolizy zamienia się w trzeci izotop helu z emisją elektronu i antyneutrina.

Paragon fiskalny

W naturze tryt występuje w niewielkich ilościach i najczęściej powstaje w: górne warstwy atmosfera w zderzeniu cząstek kosmicznych i np. atomów azotu. Jednak jest też metoda przemysłowa otrzymanie tego pierwiastka przez napromieniowanie litu-6 neutronami w

Objętość syntezy trytu, którego masa wynosi około 1 kilograma, kosztuje około 30 milionów dolarów.

Stosowanie

Tak więc dowiedzieliśmy się trochę więcej o trycie - co to jest i jego właściwości. Ale dlaczego jest to potrzebne? Dowiedzmy się trochę niżej. Według niektórych raportów światowe zapotrzebowanie handlowe na tryt wynosi około 500 gramów rocznie, a kolejne 7 kilogramów przeznacza się na potrzeby wojskowe.

Według Amerykańskiego Instytutu Badań nad Energią i środowisko, w latach 1955-1996 w USA wyprodukowano 2,2 centa superciężkiego wodoru. A w 2003 roku całkowite zapasy tego pierwiastka wynosiły około 18 kilogramów. Do czego są używane?

Po pierwsze, tryt jest potrzebny do utrzymania zdolności bojowej broni jądrowej, o której wiadomo, że niektóre kraje nadal posiadają. Po drugie, energia termojądrowa jest bez niej niezbędna. Tryt jest również używany w niektórych badania naukowe, na przykład w geologii służy do datowania wód naturalnych. Kolejnym celem jest zasilacz podświetlenia w zegarku. Ponadto trwają obecnie eksperymenty mające na celu stworzenie generatorów radioizotopów o ultraniskiej mocy, na przykład do zasilania autonomicznych czujników. Oczekuje się, że w tym przypadku ich żywotność wyniesie około 20 lat. Koszt takiego generatora wyniesie około tysiąca dolarów.

Tak jak oryginalne pamiątki są też breloczki z mała ilość tryt wewnątrz. Emitują blask i wyglądają dość egzotycznie, zwłaszcza jeśli znasz zawartość wewnętrzną.

Zagrożenie

Tryt jest radioaktywny, co wyjaśnia niektóre z jego właściwości i zastosowań. Jego okres półtrwania wynosi około 12 lat, produkując hel-3 z emisją antyneutrino i elektronu. Podczas tej reakcji uwalniane jest 18,59 kW energii, a cząstki beta rozchodzą się w powietrzu. Przeciętnemu człowiekowi może wydawać się dziwne, że radioaktywny izotop jest używany na przykład do oświetlenia zegarków, ponieważ może to być niebezpieczne, prawda? W rzeczywistości tryt nie stanowi zagrożenia dla zdrowia człowieka, ponieważ cząstki beta w procesie rozpadu rozprzestrzeniają się maksymalnie na 6 milimetrów i nie są w stanie pokonać najprostszych przeszkód. Nie oznacza to jednak, że praca z nim jest całkowicie bezpieczna – każde połknięcie z pokarmem, powietrze lub wchłanianie przez skórę może prowadzić do problemów. Chociaż w większości przypadków można go łatwo i szybko usunąć, nie zawsze tak jest. A więc tryt - co to jest pod względem zagrożenia radiacyjnego?

Środki ochronne

Pomimo niski poziom energii Rozpad trytu nie pozwala na poważne rozprzestrzenianie się promieniowania, więc cząsteczki beta nie mogą nawet przeniknąć przez skórę, nie zaniedbuj swojego zdrowia. Podczas pracy z tym izotopem możesz oczywiście nie używać kombinezonu chroniącego przed promieniowaniem, ale elementarne zasady, takie jak odzież zamknięta należy przestrzegać rękawiczek chirurgicznych. Ponieważ tryt stanowi główne zagrożenie związane z połknięciem, ważne jest, aby zaprzestać czynności, w których jest to możliwe. W przeciwnym razie nie ma się czym martwić.

Jednakże, jeśli on… w dużych ilościach wnikając do tkanek organizmu, może rozwinąć się ostra lub przewlekła choroba popromienna, w zależności od czasu trwania, dawki i regularności narażenia. W niektórych przypadkach choroba jest skutecznie wyleczona, ale w przypadku rozległych zmian możliwe jest zgon.

W jakimkolwiek normalne ciało są ślady trytu, chociaż są one absolutnie nieistotne i prawie nie wpływają. Cóż, dla miłośników zegarków ze świetlistymi wskazówkami jego poziom jest kilkakrotnie wyższy, choć nadal uważany jest za bezpieczny.

Super ciężka woda

Tryt, podobnie jak zwykły wodór, może tworzyć nowe substancje. W szczególności wchodzi w skład molekuły tzw. superciężkiej (superciężkiej) wody. Właściwości tej substancji nie różnią się zbytnio od zwykłej dla każdej osoby H 2 O. Pomimo tego, że woda trytowa może również uczestniczyć w metabolizmie, ma dość wysoką toksyczność i jest wydalana w ciągu dziesięciu dni, podczas których tkanki może się wyciszyć wysoki stopień naświetlanie. I chociaż ta substancja jest mniej niebezpieczna sama w sobie, to jest bardziej niebezpieczna ze względu na okres, w którym znajduje się w ciele.

Absolutnie dowolny chemiczny składa się z pewnego zestawu protonów i neutronów. Są one utrzymywane razem dzięki temu, że wewnątrz cząstki znajduje się energia wiążąca. jądro atomowe.

Cechą charakterystyczną nuklearnych sił przyciągania jest ich bardzo duża moc przy stosunkowo niewielkich odległościach (od ok. 10 -13 cm). Wraz ze wzrostem odległości między cząstkami słabną również siły przyciągania wewnątrz atomu.

Rozumowanie o energii wiązania wewnątrz jądra

Jeśli wyobrazisz sobie, że istnieje sposób na oddzielenie kolejno protonów i neutronów od jądra atomu i ułożenie ich w takiej odległości, że energia wiązania jądra atomowego przestanie działać, to musi to być bardzo ciężka praca. Aby wydobyć jego składniki z jądra atomu, trzeba spróbować przezwyciężyć siły wewnątrzatomowe. Wysiłki te zmierzają do podzielenia atomu na zawarte w nim nukleony. Można więc sądzić, że energia jądra atomowego jest mniejsza niż energia cząstek, z których się składa.

Czy masa cząstek subatomowych jest równa masie atomu?

Już w 1919 roku naukowcy nauczyli się mierzyć masę jądra atomowego. Najczęściej jest on „ważony” za pomocą specjalnych urządzeń technicznych, zwanych spektrometrami masowymi. Zasada działania takich urządzeń polega na porównywaniu charakterystyk ruchu cząstek o różnych masach. Co więcej, takie cząstki mają te same ładunki elektryczne. Obliczenia pokazują, że te cząstki, które mają różne wskaźniki masy poruszają się po różnych trajektoriach.

Współcześni naukowcy odkryli z dużą dokładnością masy wszystkich jąder, a także tworzące je protony i neutrony. Jeśli porównamy masę pewnego jądra z sumą mas zawartych w nim cząstek, to okaże się, że w każdym przypadku masa jądra będzie większa od masy poszczególnych protonów i neutronów. Ta różnica będzie wynosić około 1% dla dowolnej substancji chemicznej. Dlatego możemy wywnioskować, że energia wiązania jądra atomowego wynosi 1% jego energii spoczynkowej.

Właściwości sił wewnątrzjądrowych

Neutrony znajdujące się wewnątrz jądra są odpychane od siebie przez siły kulombowskie. Jednak atom się nie rozpada. Jest to ułatwione dzięki obecności siły przyciągania między cząstkami w atomie. Takie siły, które mają charakter inny niż elektryczny, nazywane są jądrowymi. A oddziaływanie neutronów i protonów nazywamy oddziaływaniem silnym.

Krótko mówiąc, właściwości sił jądrowych są następujące:

  • to jest niezależność od opłat;
  • działanie tylko na krótkich dystansach;
  • a także nasycenie, które odnosi się do retencji tylko pewnej liczby nukleonów blisko siebie.

Zgodnie z prawem zachowania energii w momencie łączenia się cząstek jądrowych energia uwalniana jest w postaci promieniowania.

Energia wiązania jąder atomowych: wzór

Do powyższych obliczeń stosuje się ogólnie przyjętą formułę:

E St=(Z m p +(A-Z) m n -Mi) s²

Poniżej E St odnosi się do energii wiązania jądra; od- prędkość światła; Z-liczba protonów; (A-Z) to liczba neutronów; poseł oznacza masę protonu; ale m n to masa neutronu. M i oznacza masę jądra atomu.

Energia wewnętrzna jąder różnych substancji

Aby określić energię wiązania jądra, stosuje się ten sam wzór. Energia wiązania obliczona według wzoru, jak wskazano powyżej, wynosi nie więcej niż 1% całkowita energia energia atomowa lub spoczynkowa. Jednak po bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że liczba ta dość silnie waha się w zależności od substancji. Jeśli spróbujesz określić jego dokładne wartości, to będą się one różnić zwłaszcza dla tzw. jąder lekkich.

Na przykład energia wiązania wewnątrz atomu wodoru wynosi zero, ponieważ jest w nim tylko jeden proton, a energia wiązania jądra helu wynosiłaby 0,74%. W przypadku jąder substancji zwanej trytem liczba ta wyniesie 0,27%. Tlen ma 0,85%. W jądrach, w których jest około sześćdziesięciu nukleonów, energia wiązania wewnątrzatomowego wyniesie około 0,92%. W przypadku jąder atomowych o większej masie liczba ta będzie się stopniowo zmniejszać do 0,78%.

Aby określić energię wiązania jądra helu, trytu, tlenu lub dowolnej innej substancji, stosuje się ten sam wzór.

Rodzaje protonów i neutronów

Można wyjaśnić główne przyczyny takich różnic. Naukowcy odkryli, że wszystkie nukleony zawarte w jądrze dzielą się na dwie kategorie: powierzchniową i wewnętrzną. Nukleony wewnętrzne to te, które są otoczone przez inne protony i neutrony ze wszystkich stron. Powierzchniowe są otoczone nimi tylko od wewnątrz.

Energia wiązania jądra atomowego to siła, która jest bardziej wyraźna dla nukleonów wewnętrznych. Nawiasem mówiąc, coś podobnego występuje przy napięciu powierzchniowym różnych cieczy.

Ile nukleonów mieści się w jądrze

Stwierdzono, że liczba nukleonów wewnętrznych jest szczególnie mała w tzw. jądrach lekkich. A w tych, które należą do kategorii najlżejszych, prawie wszystkie nukleony są traktowane jako powierzchniowe. Uważa się, że energia wiązania jądra atomowego jest wielkością, która powinna wzrastać wraz z liczbą protonów i neutronów. Ale nawet ten wzrost nie może trwać w nieskończoność. Na pewna ilość nukleony - a jest to od 50 do 60 - w grę wchodzi kolejna siła - ich odpychanie elektryczne. Występuje nawet niezależnie od obecności energii wiązania w jądrze.

Energia wiązania jądra atomowego w różne substancje wykorzystywane przez naukowców do uwalniania energii jądrowej.

Wielu naukowców zawsze interesowało się pytaniem: skąd bierze się energia, gdy lżejsze jądra łączą się w ciężkie? Tak właściwie, ta sytuacja podobny do rozszczepienia atomowego. W procesie fuzji jąder lekkich, podobnie jak przy rozszczepianiu ciężkich, zawsze powstają jądra silniejszego typu. Aby „uzyskać” wszystkie zawarte w nich nukleony z jąder lekkich, należy wydać mniejsza ilość energię niż to, co jest uwalniane, gdy są połączone. Odwrotność też jest prawdziwa. W rzeczywistości energia syntezy jądrowej, która przypada na pewną jednostkę masy, może być większa niż energia właściwa rozszczepienia.

Naukowcy, którzy badali procesy rozszczepienia jądrowego

Proces ten odkryli naukowcy Hahn i Strassmann w 1938 roku. W murach berlińskiego Uniwersytetu Chemicznego naukowcy odkryli, że gdy uran jest bombardowany innymi neutronami, zamienia się w lżejsze pierwiastki, stojące pośrodku układu okresowego pierwiastków.

Znaczący wkład w rozwój tej dziedziny wiedzy wniosła także Lise Meitner, której Hahn zaproponował kiedyś wspólne badanie radioaktywności. Hahn pozwolił Meitnerowi pracować tylko pod warunkiem, że prowadzi badania w piwnicy i nigdy nie będzie się wspinać Wyższe piętra co było faktem dyskryminacji. Nie przeszkodziło to jednak jej w osiągnięciu znaczącego sukcesu w badaniu jądra atomowego.