Energia wiązania jądra atomowego: wzór, znaczenie i definicja. Wada mas jąder atomowych. Energia komunikacji

Absolutnie każdy chemiczny składa się z określonego zestawu protonów i neutronów. Są one utrzymywane razem dzięki temu, że energia wiązania jądra atomowego jest obecna w cząstce.

Cechą charakterystyczną jądrowych sił grawitacyjnych 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 wyobrazimy sobie, że istnieje sposób na oddzielenie protonów i neutronów z kolei od jądra atomu i umieszczenie 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 pójdą na rozszczepienie atomu na zawarte w nim nukleony. Dlatego można sądzić, że energia jądra atomowego jest mniejsza niż energia cząstek, z których się składa.

Czy masa cząstek wewnątrzatomowych jest równa masie atomu?

Już w 1919 roku naukowcy nauczyli się mierzyć masę jądra atomowego. Najczęściej jest „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 ich składowe protony i neutrony. Jeśli porównamy masę danego 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. Ale jednocześnie atom się nie rozpada. Jest to ułatwione dzięki obecności siły przyciągania między cząsteczkami w atomie. Takie siły, które mają naturę inną niż elektryczna, nazywane są jądrowymi. A oddziaływanie neutronów i protonów nazywa się oddziaływaniem silnym.

Krótko mówiąc, właściwości sił jądrowych sprowadzają się do:

• jest to niezależność od opłat;
• działanie tylko na krótkich dystansach;
• a także nasycenie, które rozumiane jest jako utrzymywanie tylko pewnej liczby nukleonów blisko siebie.

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

Energia wiązania jąder atomowych: wzór

Do wspomnianych obliczeń stosuje się ogólnie przyjętą formułę:

E sv= (Z m p + (A-Z) m n -Mja jestem) · C²

Poniżej E sv energia wiązania jądra jest zrozumiała; z- prędkość światła; Z-liczba protonów; (A-Z) to liczba neutronów; poseł oznacza masę protonu; a m n to masa neutronów. M i oznacza masę jądra atomu.

Energia wewnętrzna jąder różnych substancji

Ten sam wzór jest używany do określenia energii wiązania jądra. Energia wiązania obliczona według wzoru, jak wskazano powyżej, wynosi nie więcej niż 1% całkowita energia atom lub energia spoczynku. Jednak po bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że liczba ta zmienia się dość silnie przy przechodzeniu od substancji do substancji. Jeśli spróbujemy określić jego dokładne wartości, to będą one szczególnie różne 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 wyniesie 0,74%. Dla jąder substancji zwanej trytem liczba ta będzie równa 0,27%. Tlen ma 0,85%. W jądrach, w których jest około sześćdziesięciu nukleonów, energia wiązania wewnątrzatomowego wyniesie około 0,92%. Do jądra atomowe przy 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 tych różnic. Naukowcy odkryli, że wszystkie nukleony zawarte w jądrze dzielą się na dwie kategorie: powierzchniową i wewnętrzną. Nukleony wewnętrzne to te, które są otoczone ze wszystkich stron przez inne protony i neutrony. Te powierzchowne są otoczone nimi tylko od wewnątrz.

Energia wiązania jądra atomowego to siła, która jest bardziej wyraźna w nukleonach 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 - zaczyna działać kolejna siła - ich elektryczne odpychanie. Występuje nawet niezależnie od obecności energii wiązania wewnątrz jądra.

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

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

Naukowcy, którzy badali procesy rozszczepienia jądrowego

Proces odkryli naukowcy Hahn i Strassmann w 1938 roku. W murach berlińskiego Uniwersytetu Chemicznego naukowcy odkryli, że w procesie bombardowania uranu innymi neutronami zamienia się on w lżejsze pierwiastki w środku układu okresowego.

Znaczący wkład w rozwój tej dziedziny wiedzy wniosła także Lisa Meitner, której Hahn zasugerował kiedyś wspólne badanie radioaktywności. Hahn pozwolił Meitnerowi pracować tylko pod warunkiem, że będzie prowadzić badania w piwnicy i nigdy się nie wspinać Wyższe piętra to był fakt dyskryminacji. Nie przeszkodziło to jednak jej w osiągnięciu znaczącego sukcesu w badaniach jądra atomowego.

Ponieważ nukleony w jądrze są związane siłami jądrowymi, rozdzielenie 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 powinna 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 jest równa: mi sv = Z 2 × D m

D m Czy wada w masie jądra.

Energia wiązania jest wyrażona w megaelektronowoltach (MeV) (MeV = 106 EV). Ponieważ jednostka masy atomowej (amu) wynosi 1,66 × 10-27 kg, odpowiednią energię można wyznaczyć:

Za pomocą spektrografu mas zmierzono masy wszystkich izotopów oraz obliczono wartości defektu masy i energii wiązania dla wszystkich jąder, które służą do obliczania reakcji jądrowych. Jeżeli w jakiejś reakcji otrzymuje się jądra i cząstki, których masa całkowita jest mniejsza niż początkowych 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 początkowego jądra wynosi 1731,6 MeV, a całkowita energia wiązania powstałych jąder wynosi 1708,2 + 28,3 = 176,5 MeV i jest wyższa od energii wiązania początkowego jądra o 4,9 MeV. W konsekwencji w tej reakcji uwalniana jest energia 4,9 MeV, która jest głównie energia kinetyczna cząstki g.

Bardzo ważne ma energię wiązania na 1 nukleon. Im jest większy, tym silniejszy rdzeń. Najmocniejsze rdzenie średnie. Lekkie jądra nie wykorzystują w wystarczającym stopniu energii wiązania. Ciężkie jądra są osłabiane przez kulombowskie siły odpychające, które w przeciwieństwie do jądrowych działają pomiędzy 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.

ZADANIA DLA BLOKU 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 Izotop, którego pierwiastek powstaje podczas tej reakcji jądrowej.

V w tym przypadku zachodzi reakcja jądrowa z wytworzeniem nieznanego izotopu X.

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

Zgodnie z układem okresowym stwierdzamy, że węgiel otrzymuje się:

Zatem:

3. Aby dodać reakcję jądrową:

Ustalamy, że nieznana cząstka ma liczbę ładunku 1 i liczbę masową 1, co oznacza, że ​​jest to izotop wodoru, tj. proton, tj. mamy:

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

Rozwiązanie:

E = mc 2

m= 1 amu = 1,66 × 10-27 kg

Z= 3 × 10 8 m / s

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

1 EV = 1,6 × 10 -19 J

Oznacza to: 1 amu. odpowiada 931 MeV.

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

Dany:

poseł= 1.00814 amu

m n = 1,00898

A = 3.01700 amu

__________________

E sv – ?

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

Wada masowa oznacza:

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

odkąd 1 amu - 931 MeV; następnie E sv= 931 × D m lub

E sv= 931 × 0,00910 (MeV) = 8,5 MeV

Odpowiedź: 8,5 MeV

6. Energia jest uwalniana lub pochłaniana podczas 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 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. Jest 4 g radioaktywnego kobaltu. Ile gramów kobaltu rozpada się w ciągu 216 dni, jeśli jego okres półtrwania wynosi 72 dni?

Dany:

m 0 = 4g

T= 216 dni

T= 72 dni

D m – ?

Rozwiązanie:

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

Znaczy:

Oznacza: 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.

Do niedawna uważano, że atom to cała, niepodzielna cząstka. 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. Tryt jest więc substancją, 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 najbardziej prosta forma wodór – nie można tego powiedzieć o jego „ulepszonej” wersji – w naturze występuje w nieznaczne ilości.

Tryt izotopu wodoru (nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „trzeci”) został odkryty w 1934 roku przez Rutherforda, Oliphanta i Harteka. I faktycznie, bardzo długo i wytrwale próbowali go znaleźć. Natychmiast po odkryciu deuteru i ciężkiej wody w 1932 roku naukowcy rozpoczęli poszukiwania tego izotopu, zwiększając czułość podczas badania zwykłego wodoru. Jednak mimo wszystko ich próby poszły na marne - nawet w najbardziej skoncentrowanych próbkach nie udało się uzyskać choćby śladu obecności substancji, która po prostu musiała istnieć. 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 element układu okresowego jest jednocześnie najbardziej powszechny we wszechświecie. Ponadto w naturze występuje w postaci jednego z trzech jej izotopów: protium, deuteru lub trytu. Pierwsze jądro składa się z jednego protonu, od którego pochodzi jego nazwa. Nawiasem mówiąc, to jedyny stabilny pierwiastek, w którym brakuje 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”.

Laboratorium pozyskało także jeszcze cięższe izotopy wodoru o liczbach masowych od 4 do 7. Ich okres półtrwania jest ograniczony do ułamków sekundy.

Nieruchomości

Masa atomowa trytu wynosi około 3,02 amu. np. samodzielnie właściwości fizyczne ta substancja jest prawie nie do odróżnienia od zwykłego wodoru, czyli in normalne warunki jest gazem lekkim bez koloru, smaku i zapachu, posiada wysoką przewodność cieplną. W temperaturze około -250 stopni Celsjusza staje się lekką i lejącą się bezbarwną cieczą. Przedział, w którym znajduje się w danym 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 również 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.

Otrzymujący

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

Synteza trytu w objętości 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? Zastanówmy się trochę poniżej. Według niektórych danych światowe zapotrzebowanie komercyjne na tryt wynosi około 500 gramów rocznie, a około 7 kilogramów wydaje 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 r. Łączne zapasy tego pierwiastka wynosiły około 18 kilogramów. Do czego są używane?

Po pierwsze, tryt jest niezbędny do utrzymania zdolności bojowej broni jądrowej, która, jak wiadomo, nadal jest w posiadaniu niektórych krajów. Po drugie, energetyka termojądrowa nie może się bez niej obejść. Tryt jest również używany w niektórych badania naukowe np. w geologii datuje się wody naturalne za jego pomocą. Kolejnym celem jest zasilanie podświetlenia zegarka. Ponadto trwają obecnie eksperymenty mające na celu stworzenie generatorów radioizotopów o ultraniskiej mocy, na przykład do zasilania autonomicznych czujników. W takim przypadku oczekuje się, że ich żywotność wyniesie około 20 lat. Koszt takiego generatora wyniesie około tysiąca dolarów.

Jak oryginalne pamiątki są też breloki z mała ilość tryt wewnątrz. Dają blask i wyglądają dość egzotycznie, zwłaszcza jeśli znasz ich wewnętrzną zawartość.

Zagrożenie

Tryt jest radioaktywny, co wyjaśnia niektóre z jego właściwości i zastosowań. Jego okres półtrwania wynosi około 12 lat, podczas gdy hel-3 powstaje z emisją antyneutrina i elektronu. W procesie tej reakcji uwalniane jest 18,59 kW energii, a cząstki beta są rozprowadzane w powietrzu. Laikowi może wydawać się dziwne, że radioaktywny izotop jest używany na przykład do podświetlenia w zegarku, ponieważ może to być niebezpieczne, prawda? W rzeczywistości tryt prawie niczym nie zagraża zdrowiu ludzkiemu, ponieważ cząstki beta w procesie rozpadu rozprzestrzeniają się do maksymalnie 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 jest to łatwe i szybkie, nie zawsze tak jest. A więc tryt – co to jest pod względem zagrożenia radiacyjnego?

Środki ochronne

Mimo że niski poziom energii rozpad trytu zapobiega poważnemu rozprzestrzenianiu się promieniowania, dzięki czemu 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 podstawowe zasady, takie jak odzież zamknięta należy przestrzegać rękawiczek chirurgicznych. Ponieważ tryt jest głównym zagrożeniem po spożyciu, ważne jest, aby powstrzymać działania, które by to umożliwiły. W przeciwnym razie nie ma się czym martwić.

Jeśli mimo wszystko jest w duża liczba wnikając do tkanek organizmu, może rozwinąć się ostra lub przewlekła choroba popromienna, w zależności od czasu trwania, dawki i regularności narażenia. W niektórych przypadkach ta dolegliwość jest skutecznie wyleczona, ale przy rozległych zmianach możliwy jest śmiertelny wynik.

W jakimkolwiek normalne ciało Są ślady trytu, choć 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 tzw. superciężkiej (superciężkiej) cząsteczki 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.