Defect de masă al nucleelor ​​atomice. Energia comunicarii. Tritiu - ce este? Masa de tritiu

Deoarece nucleonii din nucleu sunt legați de forțe nucleare, este necesar să se cheltuiască multă energie pentru a separa nucleul în protoni și neutroni constitutivi. 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 a miezului. Energia de legare este: E sv = CU 2×D m

D m– defect de masă nucleară.

Energia de legare este exprimată în megaelectronvolți (MeV) (MeV=10 6 EV). Deoarece unitatea de masă atomică (amu) este egală cu 1,66 × 10 -27 kg, energia corespunzătoare poate fi determinată:

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 inițiale, atunci în astfel de reacții se eliberează energie; dacă mai mult, se absoarbe 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 ​​rezultate este de 1708,2+28,3=176,5 MeV și este cu 4,9 MeV mai mare decât energia de legare a nucleului original. Prin urmare, această reacție eliberează o energie de 4,9 MeV, care este în principal energie kinetică particule g.

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

PROBLEME PENTRU UNITATEA 25

1. În ce se transformă izotopul de toriu al cărui nucleu suferă trei descompunere succesive?

Soluţie:

La emiterea unei particule a, sarcina nucleului scade cu 2 unități, iar numărul de masă cu 4 unități, ceea ce înseamnă că atunci când sunt emise 3 particule a, sarcina nucleului scade cu 2 × 3 = 6 unități, iar numărul de masă cu 4 × 3 = 12 unități și înseamnă că izotopul rezultat se bazează pe tabel, 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 timpul acestei reacții nucleare.

ÎN 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 a superindicelor este constantă.

Folosind tabelul periodic, aflăm că se obține carbonul:

Prin urmare:

3. Adăugați reacția nucleară:

Determinăm că particula necunoscută are un număr de sarcină de 1 și o masă de 1, ceea ce înseamnă că este un izotop al hidrogenului, adică. proton, adică avem:

4. Găsiți energia corespunzătoare pentru 1 amu. Exprimați-l în MeV.

Soluţie:

E = mc 2

m= 1 amu = 1,66 × 10 -27 kg

CU= 3 × 10 8 m/s

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

1 EV = 1,6 × 10 -19 J

Aceasta înseamnă: 1 a.m.u. corespunde cu 931 MEV.

5. Calculați energia nucleului de tritiu dacă masa protonilor este Domnul= 1,00814 amu, masa neutronilor m n= 1,00898 și masa atomului de tritiu A= 3,01700 amu

Dat:

Domnul= 1,00814 a.u.m.

m n = 1,00898

A = 3,01700 amu

__________________

EST – ?

Soluţie:

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

Aceasta înseamnă că defectul de masă este:

D m= 3,02610 - 3,01700 a.m.u. = 0,00910 amu

deoarece 1 a.u.m. - 931 MEV; Acea EST= 931×D m sau

EST= 931×0,00910 (MEV) = 8,5 MEV

Răspuns: 8,5 MEV

6. Energia este eliberată sau absorbită în timpul reacției:

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 reacţie: 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 reacției:

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.

Răspuns: 270 de zile

11. Determinați vârsta obiectelor antice din lemn dacă se știe că numărul de atomi de carbon radioactiv nedesintegrați din ele este de 80% din numărul de atomi ai acestui carbon dintr-un copac proaspăt tăiat. Timpul de înjumătățire al carbonului este de 5570 de ani.

Dat:

T= 5570 ani

Soluţie:

Răspuns: 1800 de ani.

Absolut oricine substanta chimica constă dintr-un anumit set de protoni și neutroni. Ele sunt ținute împreună datorită faptului că energia de legare a nucleului atomic este prezentă în interiorul particulei.

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

Raționament despre energia de legare în interiorul nucleului

Dacă ne imaginăm că există o modalitate de a separa pe rând protonii și neutronii din nucleul unui atom și de a le plasa 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 încerci să depășești forțele intra-atomice. Aceste eforturi vor merge spre divizarea atomului în nucleonii pe care îi conține. Prin urmare, putem aprecia că energia nucleului atomic este mai mică decât energia particulelor din care constă.

Este masa particulelor intra-atomice egală cu masa unui atom?

Deja în 1919, cercetătorii au învățat să măsoare masa nucleului atomic. Cel mai adesea, este „cântărit” folosind instrumente tehnice speciale 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 determinat cu mare precizie masele tuturor nucleelor, precum și protonii și neutronii lor constituenți. Dacă comparăm masa unui anumit nucleu cu suma maselor particulelor pe care le conține, 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 dată. 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. Dar 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 de încărcare;
• acțiune numai pe 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 se combină, 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=(Z·mp +(A-Z)·mn-Meu)·c²

Aici mai jos EST se referă la energia de legare a nucleului; Cu- viteza luminii; Z-numarul de protoni; (A-Z) - numărul de neutroni; m p denotă masa unui proton; A m n- masa neutronilor. M i denotă masa nucleului unui atom.

Energia internă a nucleelor ​​diferitelor substanțe

Pentru a determina energia de legare a unui nucleu, 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 atunci când se trece de la substanță la substanță. Dacă încercați să determinați valorile exacte ale acestuia, acestea vor diferi în special pentru așa-numitele nuclee ușoare.

De exemplu, energia de legare în interiorul unui atom de hidrogen este zero deoarece acesta conține doar un proton.Energia de legare a unui nucleu de heliu va fi de 0,74%. Pentru nucleele unei substanțe numite tritiu, acest număr va fi de 0,27%. Oxigenul are 0,85%. În nucleele cu aproximativ șaizeci de nucleoni, energia legăturii intraatomice va fi de aproximativ 0,92%. Pentru nuclee atomice, având 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 din interiorul nucleului sunt împărțiți în două categorii: de suprafață și interni. Nucleonii interiori sunt cei care se trezesc înconjurați de alți protoni și neutroni pe toate părțile. Cele superficiale sunt inconjurate de ele doar din interior.

Energia de legare a unui nucleu atomic este o forță care este mai pronunțată în nucleonii interiori. Ceva similar, apropo, 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 pentru cei care aparțin categoriei celei mai ușoare, aproape toți nucleonii sunt considerați ca fiind cei de suprafață. Se crede că energia de legare a unui nucleu 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. Apare chiar și indiferent de prezența energiei de legare în interiorul nucleului.

Energia de legare a unui nucleu atomic în diverse substanțe 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 altele mai grele? De fapt, această situație similar cu fisiunea atomică. În procesul de fuziune a nucleelor ​​ușoare, așa cum se întâmplă în timpul fisiunii celor grele, se formează întotdeauna nuclee de tip mai durabil. Pentru a „obține” toți nucleonii din ei din nuclee ușoare, este necesar să cheltuiți 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 Strassman în 1938. La Universitatea de Chimie din Berlin, cercetătorii au descoperit că în procesul de bombardare a uraniului cu alți neutroni, acesta se transformă în elemente mai ușoare care se află la mijlocul tabelului periodic.

O contribuție semnificativă la dezvoltarea acestui domeniu de cunoaștere a avut-o și Lise Meitner, căreia Hahn a invitat-o ​​la un moment dat să studieze împreună radioactivitatea. Hahn i-a permis lui Meitner să lucreze doar cu condiția ca ea să-și facă cercetările în subsol și să nu urce niciodată scările. etaje superioare, ceea ce a fost un fapt de discriminare. Cu toate acestea, acest lucru nu a împiedicat-o să obțină un succes semnificativ în cercetarea nucleului atomic.

Până de curând, oamenii credeau că un atom este o singură particulă 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 întreagă. 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 o 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 de tritiu este format dintr-un proton și doi neutroni. Și dacă împotrivă, atunci există cel mai mult formă simplă hidrogen - acest lucru nu se poate spune despre versiunea sa „îmbunătățită” - în natură se găsește în 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 cu insistență. Imediat după descoperirea deuteriului și a apei grele în 1932, oamenii de știință au început să caute acest izotop prin creșterea sensibilității studierii hidrogenului obișnuit. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, încercările lor au fost în zadar - chiar și în cele mai concentrate mostre nu au putut obține nici măcar un indiciu al prezenței unei substanțe care era pur și simplu obligată să existe. Dar, în cele din urmă, căutarea a fost încă 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 al tabelului periodic este, de asemenea, cel mai comun în Univers. Mai mult, în natură se găsește sub forma unuia dintre cei trei izotopi ai săi: protiu, deuteriu sau tritiu. Nucleul primului este format dintr-un proton, ceea ce îi dă numele. Apropo, acesta este singurul element stabil care nu are neutroni. Următorul din seria izotopilor de hidrogen este deuteriul. Nucleul său atomic este format dintr-un proton și un neutron, iar numele său provine din 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 a. e.m. După propriile lor proprietăți fizice această substanță nu este aproape deloc diferită de hidrogenul obișnuit, adică conditii normale este un gaz usor fara culoare, gust sau miros, are conductivitate termica ridicata. La o temperatură de aproximativ -250 de grade Celsius devine un lichid incolor ușor și curgător. Intervalul în care se găsește într-o anumită stare de agregare este destul de restrâns. Punctul de topire este de aproximativ 259 de grade Celsius, sub care hidrogenul devine o masă asemănătoare zăpezii. În plus, acest element se dizolvă destul de bine în unele metale.

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

Chitanță

În natură, tritiul se găsește în cantități mici și se formează cel mai adesea în straturile superioare atmosferă la 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

Sintetizarea tritiului într-un 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 ne dăm seama puțin mai jos. Potrivit unor date, cererea comercială mondială de tritiu este de aproximativ 500 de grame pe an, iar alte 7 kilograme sunt cheltuite pentru nevoi militare.

Potrivit Institutului American de Cercetare Energetică și mediu inconjurator, din 1955 până în 1996, în Statele Unite au fost produse 2,2 sute de hidrogen super-greu. 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 eficiența de luptă a armelor nucleare, pe care, după cum știm, unele țări încă le posedă. În al doilea rând, energia termonucleară nu poate face 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 alimentare pentru iluminarea de fundal a ceasului. În plus, în prezent se desfășoară 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 sunt si brelocuri cu o suma mica tritiu în interior. Ele emit o strălucire și arată destul de exotic, mai ales dacă știți 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 sunt distribuite în aer. Poate părea ciudat pentru omul obișnuit că un izotop radioactiv este folosit, să zicem, pentru iluminarea unui ceas, deoarece acest lucru poate fi periculos, nu-i așa? De fapt, tritiul nu reprezintă aproape nicio amenințare pentru sănătatea umană, deoarece particulele beta în timpul degradarii sale se răspândesc cu maximum 6 milimetri și nu pot depăși cele mai simple bariere. 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 cele mai multe cazuri este îndepărtat ușor și rapid, acest lucru nu este întotdeauna cazul. Deci, tritiu - ce este acesta în ceea ce privește pericolul de radiații?

Măsuri de protecție

Cu toate că 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, puteți, desigur, să nu folosiți un costum de protecție împotriva radiațiilor, ci reguli de bază precum îmbrăcăminte închisă iar mănușile chirurgicale trebuie respectate. Deoarece tritiul reprezintă principalul pericol atunci când este ingerat, este important să opriți activitățile care ar putea duce la acest lucru. Altfel, nu este nimic de care să vă faceți griji.

Dacă este încă în cantitati mari 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 poate fi vindecată cu succes, dar cu leziuni extinse este posibilă moartea.

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, care este familiar oricărei persoane. În ciuda faptului că apa cu tritiu poate participa și la metabolism, este destul de foarte toxică și este excretată într-o perioadă de zece zile, timp în care țesuturile pot primi destul grad înalt iradiere. Și deși această substanță este mai puțin periculoasă în sine, este mai periculoasă datorită perioadei în care rămâne în organism.