Energia de legare a unui nucleu atomic: formulă, semnificație și definiție. Defectul de masă al nucleelor ​​atomice. Energia de comunicare

Absolut oricine chimic constă dintr-un set specific 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 gravitaționale nucleare 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 ne imaginăm că există o modalitate de a separa pe rând protonii și neutronii de nucleul atomic și de a-i 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 constituenții din nucleul unui atom, trebuie să încercăm să depășim forțele intra-atomice. Aceste eforturi vor duce la divizarea atomului în nucleonii săi. Prin urmare, se poate aprecia că energia unui nucleu atomic este mai mică decât energia particulelor din care este compus.

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

Deja în 1919, cercetătorii au învățat cum să măsoare masa unui nucleu atomic. Cel mai adesea este „cântărit” cu ajutorul unor dispozitive tehnice speciale, care se numesc spectrometre de masă. Principiul de funcționare al 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 descoperit cu mare precizie masele tuturor nucleelor, precum și protonii și neutronii lor constituenți. Dacă comparăm masa unui anumit nucleu cu suma maselor particulelor conținute în acesta, 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. Dar, în același timp, atomul nu se destramă. Acest lucru este facilitat de prezența unei forțe de atracție între particulele din atom. Astfel de forțe, care au o altă natură decât cea electrică, se numesc nucleare. Iar interacțiunea dintre neutroni și protoni se numește interacțiune puternică.

Pe scurt, proprietățile forțelor nucleare se rezumă la următoarele:

• este independența sarcinii;
• acțiune numai pe distanțe scurte;
• și, de asemenea, saturația, care este înțeleasă ca menținerea unui anumit număr de nucleoni unul lângă celălalt.

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 menționate se utilizează formula general acceptată:

E sv= (Z m p + (A-Z) mn -Meu sunt) · C²

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

Energia internă a nucleelor ​​diferitelor substanțe

Aceeași formulă este folosită pentru a determina energia de legare a unui nucleu. Energia de legătură calculată prin formula, așa cum s-a indicat anterior, nu este mai mare de 1% din energie totală atom sau energie de repaus. Cu toate acestea, la o examinare mai atentă, se dovedește că acest număr fluctuează destul de puternic atunci când trece de la substanță la substanță. Dacă încercăm să-i determinăm valorile exacte, atunci acestea vor fi deosebit de diferite 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 va fi de 0,74%. Pentru nucleele unei substanțe numite tritiu, acest număr va fi egal cu 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 nuclee 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 aceste diferențe pot fi explicate. Oamenii de știință au descoperit că toți nucleonii care se află în nucleu sunt împărțiți în două categorii: de suprafață și interni. Nucleonii interni sunt cei care sunt 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 interni. Ceva similar, de altfel, se întâmplă cu tensiunea superficială a diferitelor lichide.

Câți nucleoni se potrivesc în 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 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 acțiune o altă forță - repulsia lor electrică. Apare chiar și indiferent de prezența energiei de legare în interiorul nucleului.

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 este similar cu fisiunea atomică. În procesul de fuziune a nucleelor ​​ușoare, așa cum se întâmplă în scindarea nucleelor ​​grele, se formează întotdeauna nuclee de tip mai puternic. Pentru a „obține” din nucleele ușoare toți nucleonii din ele, este necesar să cheltuiți cantitate mai mica energie, mai degrabă decât ceea ce este eliberat atunci când se combină. Este adevărat și invers. De fapt, energia de fuziune, care cade pe o anumită unitate de masă, poate fi mai mare decât energia specifică de fisiune.

Oamenii de știință care au investigat 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 în procesul de bombardare a uraniului cu alți neutroni, acesta se transformă în elemente mai ușoare în mijlocul tabelului periodic.

O contribuție semnificativă la dezvoltarea acestui domeniu de cunoaștere a avut-o și Lisa Meitner, pe care Hahn i-a sugerat 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 etaje superioare a fost un fapt de discriminare. Cu toate acestea, acest lucru nu a împiedicat-o să obțină un succes semnificativ în studiile asupra nucleului atomic.

Deoarece nucleonii din nucleu sunt legați de forțe nucleare, este nevoie de multă energie pentru a separa nucleul în protoni și neutroni constitutivi. Aceeași energie este eliberată dacă 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 ar trebui 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 legare este egală cu: E sv = CU 2 × D m

D m Este defectul de masă a nucleului.

Energia de legare este exprimată în megaelectronvolți (MeV) (MeV = 10 6 EV). Deoarece unitatea de masă atomică (amu) este 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, 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 inițial 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 inițial cu 4,9 MeV. În consecință, în această reacție, se eliberează o energie de 4,9 MeV, care este în principal energie kinetică particule g.

Mare importanță are o energie de legare la 1 nucleon. Cu cât este mai mare, cu atât miezul este mai puternic. Cele mai puternice miezuri medii. Nucleele ușoare nu își folosesc suficient 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.

SARCINI PENTRU BLOCUL 25

1. În ce se transformă izotopul de toriu, al cărui nucleu suferă trei descompuneri consecutive.

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 numără cu 4 × 3 = 12 unități și apoi obținem 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 timpul acestei reacții nucleare.

V în acest caz are loc o reacție nucleară cu producerea unui izotop X necunoscut.

În reacțiile nucleare, numărul de nucleoni și sarcina sunt conservate, prin urmare, suma indicelor și superindicelor este constantă.

Conform tabelului periodic, constatăm că se obține carbonul:

În acest fel:

3. Pentru a adăuga o reacție nucleară:

Determinăm că particula necunoscută are un număr de sarcină de 1 și un număr de masă de 1, ceea ce înseamnă că un izotop de hidrogen, adică. proton, adică noi avem:

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

Soluţie:

E = m c 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 amu. corespunde la 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 A= 3,01700 amu

Dat:

m p= 1,00814 amu

m n = 1,00898

A = 3,01700 amu

__________________

E sv – ?

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

Defectul de masă înseamnă:

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

de cand 1 amu - 931 MeV; atunci E sv= 931 × D m sau

E sv= 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 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 de 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:

Mijloace: 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.

Până de curând, oamenii credeau că un atom este o particulă întreagă, 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 compus 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. Deci, nucleul de tritiu este format dintr-un proton și doi neutroni. Și dacă protium, acesta este cel mai mult formă simplă hidrogen - acest lucru nu se poate spune despre versiunea sa "îmbunătățită" - în natură se găsește în cantități nesemnificative.

Izotopul de hidrogen tritiu (numele provine de la cuvântul grecesc pentru „al treilea”) a fost descoperit în 1934 de Rutherford, Oliphant și Hartek. 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 atunci când studiau hidrogenul obișnuit. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, încercările lor au fost în zadar - chiar și în cele mai concentrate probe nu a fost posibil să obținem nici măcar un indiciu al prezenței unei substanțe care pur și simplu trebuia 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, în același timp, cel mai comun în univers. Mai mult, în natură, apare sub forma unuia dintre cei trei izotopi ai săi: protiu, deuteriu sau tritiu. Primul nucleu este format dintr-un proton, care i-a dat numele. Apropo, acesta este singurul element stabil căruia îi lipsesc neutronii. 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”.

Laboratorul a obținut, de asemenea, izotopi de hidrogen și mai grei, cu numere de masă de la 4 la 7. Timpul lor de înjumătățire este limitat la fracțiuni de secundă.

Proprietăți

Masa atomică a tritiului este de aproximativ 3,02 amu. e. m. prin propriile lor proprietăți fizice această substanță este aproape imposibil de distins de hidrogenul obișnuit, adică în conditii normale este un gaz usor fara culoare, gust si miros, are o conductivitate termica ridicata. La o temperatură de aproximativ -250 de grade Celsius, devine un lichid incolor ușor și curgător. Intervalul în care se află într-o anumită 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 și 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 în al treilea izotop de heliu cu emisia unui electron și a unui antineutrin.

Primirea

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

Costă aproximativ 30 de milioane de dolari pentru a sintetiza tritiul într-un volum de aproximativ 1 kilogram.

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 aproximativ 7 kilograme sunt cheltuite pentru nevoile 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. Iar pentru 2003, stocurile totale ale acestui element au fost de aproximativ 18 kilograme. La ce sunt folosite?

În primul rând, tritiul este necesar pentru a menține capacitatea de luptă a armelor nucleare, care, după cum știți, sunt încă deținute de unele țări. În al doilea rând, ingineria energiei termonucleare nu poate face fără ea. Tritiul este, de asemenea, folosit în unele cercetare științifică, de exemplu, în geologie, apele naturale sunt datate cu ajutorul ei. Un alt scop este de a alimenta iluminarea de fundal 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. În acest caz, este de așteptat ca 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 cantitate mică tritiu în interior. Ele emană o strălucire și arată destul de exotic, mai ales dacă știi despre conținutul interior.

Pericol

Tritiul este radioactiv, ceea ce explică unele dintre proprietățile și utilizările sale. Timpul său de înjumătățire este de aproximativ 12 ani, în timp ce heliul-3 se formează prin emisia unui antineutrin și a unui electron. În procesul acestei reacții, se eliberează 18,59 kW de energie și particulele beta sunt distribuite în aer. Poate părea ciudat pentru profan că un izotop radioactiv este folosit, să zicem, pentru iluminarea de fundal a unui ceas, pentru că poate fi periculos, nu-i așa? De fapt, tritiul nu amenință cu nimic sănătatea umană, deoarece particulele beta în procesul de degradare se răspândesc la 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 se șterge ușor și rapid în majoritatea cazurilor, acesta nu este întotdeauna cazul. Deci tritiu - ce este acesta în ceea ce privește pericolul de radiații?

Măsuri de protecție

Deşi energie slaba degradarea tritiului previne răspândirea serioasă a radiațiilor, 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 elementare, cum ar fi îmbrăcăminte închisă iar mănușile chirurgicale trebuie respectate. Deoarece tritiul este principalul pericol atunci când este ingerat, este important să se suprima activitățile care ar face acest lucru posibil. În rest, nimic de care să vă faceți griji.

Dacă, totuși, el este în un numar mare pătruns în țesuturile organismului, se poate dezvolta boală 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 letal.

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

Apa super grea

Tritiul, ca și hidrogenul obișnuit, poate forma noi substanțe. În special, este inclus în așa-numita moleculă de apă supergrea (supergrea). 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, are o toxicitate destul de mare și este excretată într-o perioadă de zece zile, timp în care țesuturile poate ajunge destul grad înalt iradiere. Și deși această substanță este mai puțin periculoasă în sine, este mai periculoasă datorită perioadei în care se află în organism.