Tritiu - ce este? masa de tritiu. Defect de masă al nucleelor ​​atomice. Energie legată

Deoarece nucleonii din nucleu sunt legați de forțe nucleare, este nevoie de multă energie pentru a împărți nucleul în protoni și neutroni componente. Aceeași energie este eliberată atunci când protonii și neutronii liberi se combină pentru a forma un nucleu. Această energie se numește energia de legare a nucleului. Conform teoriei relativității a lui Einstein, energia corespunde masei. Prin urmare, masa nucleului trebuie să fie mai mică decât suma maselor protonilor și neutronilor liberi constituenți. Diferența dintre suma maselor de rest de protoni și neutroni liberi din care este format nucleul și masa nucleului se numește defect de masă nucleară. Energia de legătură este: E sv = DIN 2×D m

D m este defectul de masă nucleară.

Energia de legare este exprimată în mega-electronvolti (MeV) (MeV=10 6 EV). Deoarece unitatea de masă atomică (a.m.u.) este egală cu 1,66 × 10 -27 kg, putem determina energia corespunzătoare acesteia:

Folosind un spectrograf de masă, au fost măsurate masele tuturor izotopilor și au fost calculate valorile defectului de masă și ale energiei de legare pentru toate nucleele care sunt utilizate pentru a calcula reacțiile nucleare. Dacă în unele reacții se obțin nuclee și particule, a căror masă totală este mai mică decât cea a nucleelor ​​și particulelor originale, atunci se eliberează energie în astfel de reacții; dacă mai mult, atunci este absorbit și o astfel de reacție nu va apărea spontan.

Să efectuăm un calcul energetic al reacției nucleare de transformare a radiului în radon: . Energia de legare a nucleului original este de 1731,6 MeV, iar energia de legare totală a nucleelor ​​formate este de 1708,2+28,3=176,5 MeV și este mai mare decât energia de legare a nucleului original cu 4,9 MeV. Prin urmare, această reacție eliberează o energie de 4,9 MeV, care este practic energie kinetică particule g.

Mare importanță are o energie de legare per nucleon. Cu cât este mai mare, cu atât miezul este mai puternic. Cele mai durabile miezuri medii. Nucleele ușoare își subutilizați energiile de legare. Nucleele grele sunt slăbite de forțele de respingere coulomb, care, spre deosebire de cele nucleare, acționează între toți nucleonii nucleului. De aici rezultă o concluzie importantă: energia este eliberată atunci când se formează nucleele medii. Acest lucru se poate întâmpla atunci când se împarte un nucleu greu în două medii reactoare nucleare sau în sinteza nucleului mijlociu din două mai ușoare. Acestea sunt reacții de fuziune termonucleară care au loc în soare și stele.

OBIECTIVE PENTRU UNITATEA 25

1. În ce se transformă un izotop de toriu, al cărui nucleu suferă trei descompunere succesive.

Soluţie:

Când o particulă a este emisă, sarcina nucleară scade cu 2 unități, iar numărul de masă cu 4 unități, ceea ce înseamnă că atunci când sunt emise 3 particule a, sarcina nucleară scade cu 2 × 3 = 6 unități, iar masa numărați cu 4 × 3 = 12 unități și apoi obțineți un izotop conform tabelului, aflăm că este poloniu sau

2. Când azotul este bombardat cu neutroni, se formează doi izotopi, dintre care unul este un izotop al hidrogenului, al cărui element se formează în această reacție nucleară.

ÎN acest caz are loc o reacție nucleară pentru a produce un izotop X necunoscut.

În reacțiile nucleare, numărul de nucleoni și sarcina sunt conservate, astfel încât suma subindicelor și superindicelor este constantă.

Conform tabelului periodic, constatăm că se obține carbonul:

În acest fel:

3. Adăugați reacția nucleară:

Determinăm că particula necunoscută are un număr de sarcină de 1 și o masă de 1, ceea ce înseamnă că izotopul hidrogenului , i.e. proton, adică avem:

4. Găsiți energia corespunzătoare la 1 a.m.u. Exprimați-l în MeV.

Soluţie:

E \u003d m c 2

m\u003d 1 amu \u003d 1,66 × 10 -27 kg

DIN= 3 × 10 8 m/s

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

1 EV = 1,6 × 10 -19 J

Deci: 1 a.m.u. corespunde cu 931 MEV.

5. Calculați energia nucleului de tritiu dacă masa protonului m p= 1,00814 amu, masa neutronilor m n= 1,00898 și masa atomului de tritiu DAR= 3,01700 amu

Dat:

m p= 1,00814 amu

m n = 1,00898

A = 3,01700 amu

__________________

Est – ?

Soluţie:

Nucleu de tritiu: constă dintr-un proton și doi neutroni, a căror masă totală este: m p + 2m n = 1,00814 + 2 × 1,00898 = = 3,02610

Deci defectul de masă este:

D m= 3,02610 - 3,01700 amu = 0,00910 amu

deoarece 1 amu - 931 MEV; apoi Est= 931×D m sau

Est= 931 × 0,00910 (MEV) = 8,5 MeV

Răspuns: 8,5 MeV

6. Energia este eliberată sau absorbită într-o reacție:

A fost posibil să se calculeze energia de legare a fiecărui nucleu, dar puteți folosi și un tabel special:

Masa totală a nucleelor ​​și particulelor înainte de reacție: 39,2 + 28,3 = 67,5 MEV

după reacție: 64,7 + 0 = 64,7 MeV

Aceasta înseamnă că energia este absorbită într-o astfel de reacție: 67,5 - 64,7 = 2,8 MeV

7. Determinați energia din reacție:

înainte de reacție: 2,2 + 2,2 = 4,4 MEV

după reacție: 8,5 MeV

energie eliberată: 8,5 - 4,4 = 4,1 MeV

8. Există 4 g de cobalt radioactiv. Câte grame de cobalt se descompun în 216 zile dacă timpul său de înjumătățire este de 72 de zile?

Dat:

m 0 = 4 g

t= 216 zile

T= 72 de zile

D m – ?

Soluţie:

Deoarece masa unei substanțe este direct proporțională cu numărul de atomi, atunci: DN=N 0 -N;

Mijloace:

Aceasta înseamnă: și

Răspuns: 3,5 g

9. Există 8 kg de cesiu radioactiv. Determinați masa cesiului nedegradat după 135 de ani de degradare radioactivă dacă timpul de înjumătățire al acestuia este de 27 de ani.

Mai recent, oamenii au crezut că atomul este o particulă integrală indivizibilă. Mai târziu a devenit clar că este format dintr-un nucleu și electroni care se rotesc în jurul lui. În același timp, partea centrală a fost din nou considerată indivizibilă și integrală. Astăzi știm că este format din protoni și neutroni. Mai mult, în funcție de numărul acestora din urmă, aceeași substanță poate avea mai mulți izotopi. Deci, tritiul este pentru substanță, cum să o obțineți și să o folosiți?

Tritiu - ce este?

Hidrogenul este cea mai simplă substanță din natură. Dacă vorbim despre forma sa cea mai comună, care va fi discutată mai detaliat mai jos, atunci atomul său este format dintr-un singur proton și un electron. Cu toate acestea, poate accepta și particule „extra”, care își schimbă oarecum proprietățile. Astfel, nucleul tritiului este format dintr-un proton și doi neutroni. Și dacă protium, atunci există cel mai mult formă simplă hidrogen - acesta este ceva ce nu poți spune despre versiunea sa „îmbunătățită” - în natură se găsește cantități mici.

Izotopul de hidrogen tritiu (numele provine de la cuvântul grecesc pentru „al treilea”) a fost descoperit în 1934 de Rutherford, Oliphant și Harteck. Și, de fapt, au încercat să-l găsească foarte mult timp și din greu. Imediat după descoperirea deuteriului și a apei grele în 1932, oamenii de știință au început să caute acest izotop prin creșterea sensibilității hidrogenului convențional. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, încercările lor au fost în zadar - chiar și în cele mai concentrate probe nu a fost posibil să se obțină nici măcar un indiciu al prezenței unei substanțe care era pur și simplu obligată să existe. Dar, în cele din urmă, căutarea a fost totuși încununată de succes - Oliphant a sintetizat elementul cu ajutorul laboratorului lui Rutherford.

Pe scurt, definiția tritiului este următoarea: un izotop radioactiv al hidrogenului, al cărui nucleu este format dintr-un proton și doi neutroni. Deci, ce se știe despre el?

Despre izotopii de hidrogen

Primul element din tabelul periodic este, de asemenea, cel mai comun element din univers. În același timp, apare în natură sub forma unuia dintre cei trei izotopi ai săi: protiu, deuteriu sau tritiu. Nucleul primului este format dintr-un singur proton, care i-a dat numele. Apropo, acesta este singurul element stabil care nu are neutroni. Următorul din seria izotopilor de hidrogen este deuteriul. Nucleul atomului său este format dintr-un proton și un neutron, iar numele se întoarce la cuvântul grecesc pentru „al doilea”.

În laborator s-au obținut și izotopi de hidrogen și mai grei, cu numere de masă de la 4 la 7. Timpul de înjumătățire al acestora este limitat la fracțiuni de secunde.

Proprietăți

Masa atomică a tritiului este de aproximativ 3,02 amu. e. m. După propriile lor proprietăți fizice această substanță nu este aproape deloc diferită de hidrogenul obișnuit, adică în conditii normale Este un gaz ușor, incolor, insipid și inodor, cu conductivitate termică ridicată. La o temperatură de aproximativ -250 de grade Celsius, devine un lichid incolor ușor și curgător. Intervalul în care se află în această stare de agregare este destul de îngust. Punctul de topire este de aproximativ 259 de grade Celsius, sub care hidrogenul devine o masă asemănătoare zăpezii. În plus, acest element este destul de solubil în unele metale.

Cu toate acestea, există unele diferențe de proprietăți. În primul rând, al treilea izotop este mai puțin reactiv, iar în al doilea rând, tritiul este radioactiv și, prin urmare, instabil. are putin peste 12 ani. În procesul de radioliză, se transformă într-un al treilea izotop de heliu cu emisia unui electron și a unui antineutrin.

chitanta

În natură, tritiul se găsește în cantități mici și se formează cel mai adesea în straturile superioare atmosferă în ciocnirea particulelor cosmice și, de exemplu, a atomilor de azot. Cu toate acestea, există și metoda industriala obţinerea acestui element prin iradierea litiului-6 cu neutroni în

Sinteza tritiului în volum, a cărui masă este de aproximativ 1 kilogram, costă aproximativ 30 de milioane de dolari.

Utilizare

Așadar, am aflat puțin mai multe despre tritiu - ce este și proprietățile sale. Dar de ce este nevoie? Să aflăm puțin mai jos. Potrivit unor rapoarte, necesarul comercial global de tritiu este de aproximativ 500 de grame pe an, iar alte 7 kilograme sunt destinate nevoilor militare.

Potrivit Institutului American de Cercetare Energetică și mediu inconjurator, din 1955 până în 1996, în SUA au fost produse 2,2 cenți de hidrogen supergreu. Și în 2003, rezervele totale ale acestui element erau de aproximativ 18 kilograme. La ce sunt folosite?

În primul rând, tritiul este necesar pentru a menține capacitatea de luptă a armelor nucleare, pe care se știe că unele țări le dețin încă. În al doilea rând, energia termonucleară este indispensabilă fără ea. Tritiul este, de asemenea, folosit în unele cercetare științifică, de exemplu, în geologie, este folosit pentru datarea apelor naturale. Un alt scop este sursa de iluminare din spate a ceasului. În plus, în prezent sunt în curs de desfășurare experimente pentru a crea generatoare de radioizotopi de putere ultra-scăzută, de exemplu, pentru a alimenta senzori autonomi. Este de așteptat ca în acest caz durata lor de viață să fie de aproximativ 20 de ani. Costul unui astfel de generator va fi de aproximativ o mie de dolari.

La fel de suveniruri originale exista si brelocuri cu o suma mica tritiu în interior. Ele emit o strălucire și arată destul de exotic, mai ales dacă știi despre conținutul intern.

Pericol

Tritiul este radioactiv, ceea ce explică unele dintre proprietățile și utilizările sale. Timpul său de înjumătățire este de aproximativ 12 ani, producând heliu-3 cu emisia unui antineutrin și a unui electron. În timpul acestei reacții, se eliberează 18,59 kW de energie și particulele beta se propagă în aer. Poate părea ciudat pentru omul obișnuit că un izotop radioactiv este folosit, să zicem, pentru iluminarea ceasurilor, pentru că poate fi periculos, nu? De fapt, tritiul nu este o amenințare pentru sănătatea umană, deoarece particulele beta în procesul de degradare se răspândesc cu maximum 6 milimetri și nu pot depăși cele mai simple obstacole. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că lucrul cu acesta este absolut sigur - orice ingerare cu alimente, aer sau absorbție prin piele poate duce la probleme. Deși în majoritatea cazurilor este ușor și rapid îndepărtat, nu este întotdeauna cazul. Deci, tritiu - ce este acesta în ceea ce privește pericolul de radiații?

Măsuri de protecție

Deşi energie slaba Degradarea tritiului nu permite radiațiilor să se răspândească serios, astfel încât particulele beta nici măcar nu pot pătrunde în piele, nu vă neglijați sănătatea. Când lucrați cu acest izotop, nu puteți folosi, desigur, un costum de protecție împotriva radiațiilor, ci reguli elementare precum îmbrăcăminte închisă iar mănușile chirurgicale trebuie respectate. Deoarece tritiul reprezintă principalul pericol prin ingerare, este important să se oprească activitățile în care acest lucru devine posibil. Altfel, nu este nimic de care să vă faceți griji.

Cu toate acestea, dacă el în număr mare pătruns în țesuturile corpului, se poate dezvolta boala acută sau cronică de radiații, în funcție de durata, doza și regularitatea expunerii. În unele cazuri, această boală este vindecată cu succes, dar cu leziuni extinse, este posibil un rezultat fatal.

În orice corp normal există urme de tritiu, deși sunt absolut nesemnificative și afectează cu greu Ei bine, pentru iubitorii de ceasuri cu mâini luminoase, nivelul acestuia este de câteva ori mai mare, deși este încă considerat sigur.

Apa super grea

Tritiul, ca și hidrogenul obișnuit, poate forma noi substanțe. În special, este inclus în molecula așa-numitei ape supergrele (supergrele). Proprietățile acestei substanțe nu sunt prea diferite de H 2 O obișnuit pentru fiecare persoană. În ciuda faptului că apa cu tritiu poate participa și la metabolism, este destul de toxică și este excretată într-o perioadă de zece zile, timp în care țesuturile pot ajunge. destul de un grad înalt iradiere. Și deși această substanță este mai puțin periculoasă în sine, este mai periculoasă datorită perioadei în care se află în organism.

Absolut orice chimic constă dintr-un anumit set de protoni și neutroni. Ele sunt ținute împreună datorită faptului că există o energie de legare în interiorul particulei. nucleul atomic.

O trăsătură caracteristică a forțelor nucleare de atracție este puterea lor foarte mare la distanțe relativ mici (de la aproximativ 10 -13 cm). Pe măsură ce distanța dintre particule crește, forțele de atracție din interiorul atomului slăbesc și ele.

Raționament despre energia de legare din interiorul nucleului

Dacă vă imaginați că există o modalitate de a separa pe rând protonii și neutronii din nucleul unui atom și de a le aranja la o astfel de distanță încât energia de legare a nucleului atomic să înceteze să mai acționeze, atunci aceasta trebuie să fie o muncă foarte grea. Pentru a-și extrage componentele din nucleul unui atom, trebuie să încercăm să depășim forțele intra-atomice. Aceste eforturi vor merge spre împărțirea atomului în nucleonii pe care îi conține. Prin urmare, se poate aprecia că energia nucleului atomic este mai mică decât energia particulelor din care constă.

Este masa particulelor subatomice egală cu masa unui atom?

Deja în 1919, cercetătorii au învățat cum să măsoare masa unui nucleu atomic. Cel mai adesea, este „cântărit” folosind dispozitive tehnice speciale, care sunt numite spectrometre de masă. Principiul de funcționare a unor astfel de dispozitive este că sunt comparate caracteristicile mișcării particulelor cu mase diferite. Mai mult, astfel de particule au aceleași sarcini electrice. Calculele arată că acele particule care au indicatori diferiți masele se deplasează pe traiectorii diferite.

Oamenii de știință moderni au aflat cu mare precizie masele tuturor nucleelor, precum și protonii și neutronii care le alcătuiesc. Dacă comparăm masa unui anumit nucleu cu suma maselor particulelor conținute în acesta, atunci se dovedește că în fiecare caz masa nucleului va fi mai mare decât masa protonilor și neutronilor individuali. Această diferență va fi de aproximativ 1% pentru orice substanță chimică. Prin urmare, putem concluziona că energia de legare a unui nucleu atomic este de 1% din energia sa de repaus.

Proprietățile forțelor intranucleare

Neutronii care se află în interiorul nucleului sunt respinși unul de celălalt de forțele Coulomb. Cu toate acestea, atomul nu se destramă. Acest lucru este facilitat de prezența unei forțe atractive între particule dintr-un atom. Astfel de forțe, care sunt de altă natură decât electrică, se numesc nucleare. Iar interacțiunea dintre neutroni și protoni se numește interacțiune puternică.

Pe scurt, proprietățile forțelor nucleare sunt următoarele:

• aceasta este independența taxei;
• acțiune numai la distanțe scurte;
• precum și saturația, care se referă la reținerea doar a unui anumit număr de nucleoni în apropierea celuilalt.

Conform legii conservării energiei, în momentul în care particulele nucleare sunt combinate, energia este eliberată sub formă de radiație.

Energia de legare a nucleelor ​​atomice: formula

Pentru calculele de mai sus se utilizează formula general acceptată:

Est=(Zmp +(A-Z)mn-Meu) s²

Aici mai jos Est se referă la energia de legare a nucleului; din- viteza luminii; Z-numarul de protoni; (A-Z) este numărul de neutroni; m p denotă masa protonului; dar m n este masa neutronului. M i denotă masa nucleului unui atom.

Energia internă a nucleelor ​​diferitelor substanțe

Pentru a determina energia de legare a nucleului, se folosește aceeași formulă. Energia de legare calculată prin formula, așa cum s-a indicat anterior, nu este mai mare de 1% din energie totală energie atomică sau de repaus. Cu toate acestea, la o examinare mai atentă, se dovedește că acest număr fluctuează destul de puternic de la substanță la substanță. Dacă încercați să determinați valorile sale exacte, atunci acestea vor diferi în special pentru așa-numitele nuclee ușoare.

De exemplu, energia de legare în interiorul unui atom de hidrogen este zero deoarece există un singur proton în el.Energia de legare a unui nucleu de heliu ar fi de 0,74%. Pentru nucleele unei substanțe numite tritiu, acest număr va fi de 0,27%. Oxigenul are 0,85%. În nuclee, unde există aproximativ șaizeci de nucleoni, energia legăturii intra-atomice va fi de aproximativ 0,92%. Pentru nucleele atomice cu o masă mai mare, acest număr va scădea treptat până la 0,78%.

Pentru a determina energia de legare a nucleului de heliu, tritiu, oxigen sau orice altă substanță, se folosește aceeași formulă.

Tipuri de protoni și neutroni

Principalele motive pentru astfel de diferențe pot fi explicate. Oamenii de știință au descoperit că toți nucleonii care se află în interiorul nucleului sunt împărțiți în două categorii: de suprafață și interni. Nucleonii interni sunt cei care sunt înconjurați de alți protoni și neutroni din toate părțile. Cele de suprafață sunt înconjurate de ele doar din interior.

Energia de legare a unui nucleu atomic este o forță care este mai pronunțată pentru nucleonii interni. Ceva similar, de altfel, se întâmplă cu tensiunea superficială a diferitelor lichide.

Câți nucleoni încap într-un nucleu

S-a constatat că numărul de nucleoni interni este deosebit de mic în așa-numitele nuclee ușoare. Și în cei care aparțin categoriei celor mai ușoare, aproape toți nucleonii sunt considerați suprafețe. Se crede că energia de legare a nucleului atomic este o cantitate care ar trebui să crească odată cu numărul de protoni și neutroni. Dar nici măcar această creștere nu poate continua la infinit. La o anumită sumă nucleonii - și acesta este de la 50 la 60 - intră în joc o altă forță - repulsia lor electrică. Are loc chiar și independent de prezența energiei de legare în nucleu.

Energia de legare a nucleului atomic în diverse substante folosit de oamenii de știință pentru a elibera energie nucleară.

Mulți oameni de știință au fost întotdeauna interesați de întrebarea: de unde vine energia atunci când nucleele mai ușoare se contopesc în cele grele? De fapt, această situație similar cu fisiunea atomică. În procesul de fuziune a nucleelor ​​ușoare, așa cum se întâmplă în timpul divizării celor grele, se formează întotdeauna nuclee de tip mai puternic. Pentru a „obține” toți nucleonii din nuclee ușoare, este necesar să se cheltuiască cantitate mai mica energie decât cea eliberată atunci când sunt combinate. Este adevărat și invers. De fapt, energia fuziunii, care cade pe o anumită unitate de masă, poate fi mai mare decât energia specifică a fisiunii.

Oamenii de știință care au studiat procesele de fisiune nucleară

Procesul a fost descoperit de oamenii de știință Hahn și Strassmann în 1938. În interiorul zidurilor Universității de Chimie din Berlin, cercetătorii au descoperit că, atunci când uraniul este bombardat cu alți neutroni, acesta se transformă în elemente mai ușoare, stând în mijlocul tabelului periodic.

O contribuție semnificativă la dezvoltarea acestui domeniu de cunoaștere a avut-o și Lise Meitner, pe care Hahn i-a propus cândva să studieze împreună radioactivitatea. Hahn i-a permis lui Meitner să lucreze numai cu condiția ca ea să-și facă cercetările în subsol și să nu urce niciodată etaje superioare ceea ce era un fapt de discriminare. Cu toate acestea, acest lucru nu a împiedicat-o să obțină un succes semnificativ în studiul nucleului atomic.