Енергія зв'язку атомного ядра: формула, значення та визначення. Дефект маси атомних ядер. Енергія зв'язку
Абсолютно будь-якого хімічної речовинискладається з певного набору протонів та нейтронів. Вони утримуються разом завдяки тому, що всередині частки є енергія зв'язку атомного ядра.
Характерною особливістю ядерних сил тяжіння є дуже велика потужність на порівняно невеликих відстанях (приблизно від 10 -13 див). Зі зростанням відстані між частинками слабшають і сили тяжіння всередині атома.
Міркування про енергію зв'язку всередині ядра
Якщо уявити, що є спосіб відокремлювати по черзі від ядра атома протони і нейтрони і розташовувати їх на такій відстані, щоб енергія зв'язку атомного ядра переставала діяти, це має бути дуже важкою роботою. Для того, щоб витягти з ядра атома його складові, потрібно подолати внутрішньоатомні сили. Ці зусилля підуть на те, щоб розділити атом на нуклони, що містяться в ньому. Тому можна судити, що енергія атомного ядра менша за енергію тих частинок, з яких воно складається.
Чи дорівнює маса внутрішньоатомних частинок масі атома?
Вже 1919 року дослідники навчилися вимірювати масу атомного ядра. Найчастіше його «зважують» за допомогою спеціальних технічних приладів, які отримали назву мас-спектрометрів. Принцип роботи таких приладів у тому, що порівнюються характеристики руху частинок з різними масами. При цьому такі частинки мають однакові електричні заряди. Підрахунки показують, що ті частки, які мають різними показникамимаси, що рухаються по різних траєкторіях.
Сучасні вчені з'ясували з великою точністю маси всіх ядер, а також протонів і нейтронів, що входять до їх складу. Якщо ж порівняти масу певного ядра із сумою мас частинок, що містяться в ньому, то виявиться, що в кожному випадку маса ядра буде більшою, ніж маса окремо взятих протонів і нейтронів. Ця різниця становитиме приблизно 1% для будь-якої хімічної речовини. Тому можна дійти невтішного висновку, що енергія зв'язку атомного ядра - це 1% енергії його спокою.
Властивості внутрішньоядерних сил
Нейтрони, що знаходяться всередині ядра, відштовхуються один від одного кулонівськими силами. Але при цьому атом не розпадається на частини. Цьому сприяє наявність сили тяжіння між частинками в атомі. Такі сили, які мають природу, відмінну від електричної, називаються ядерними. А взаємодія нейтронів та протонів називається сильною взаємодією.
Коротко властивості ядерних сил зводяться до наступних:
- це зарядова незалежність;
- дія лише на коротких відстанях;
- а також насичуваність, під якою розуміється утримання один біля одного лише певної кількості нуклонів.
За законом збереження енергії, у той час, коли ядерні частинки з'єднуються, відбувається викид енергії як випромінювання.
Енергія зв'язку атомних ядер: формула
Для згаданих обчислень використовується загальноприйнята формула:
Є св=(Z·m p +(A-Z)·m n -Mя)·c²
Тут під Є сврозуміється енергія зв'язку ядра; з- швидкість світла; Z-Кількість протонів; (A-Z) - Число нейтронів; m pпозначає масу протону; а m n- Масу нейтрона. M япозначає масу ядра атома.
Внутрішня енергія ядер різних речовин
Щоб визначити енергію зв'язку ядра, використовується та сама формула. Обчислювана за формулою енергія зв'язку, як вже було зазначено, становить трохи більше 1% від загальної енергіїатома чи енергії спокою. Однак при детальному розгляді виявляється, що це число досить коливається при переході від речовини до речовини. Якщо спробувати визначити його точні значення, вони особливо відрізнятимуться у про легких ядер.
Наприклад, енергія зв'язку всередині водневого атома становить нуль, тому що в ньому знаходиться лише один протон. Енергія зв'язку ядра гелію дорівнюватиме 0,74%. У ядер речовини під назвою тритій це число дорівнюватиме 0,27%. У кисню – 0,85%. У ядрах, де знаходиться близько шістдесяти нуклонів, енергія внутрішньоатомного зв'язку становитиме близько 0,92%. Для атомних ядер, що мають більшу масу, це число поступово зменшуватиметься до 0,78%.
Щоб визначити енергію зв'язку ядра гелію, тритію, кисню, або будь-якої іншої речовини, використовується та сама формула.
Типи протонів та нейтронів
Основні причини подібних відмінностей можна пояснити. Вчені з'ясували, що всі нуклони, що містяться всередині ядра, поділяються на дві категорії: поверхневі та внутрішні. Внутрішні нуклони - це ті, що опиняються іншими протонами і нейтронами з усіх боків. Поверхневі ж оточені ними лише зсередини.
Енергія зв'язку атомного ядра - це сила, виражена більше у внутрішніх нуклонів. Щось подібне, до речі, відбувається і при поверхневому натягу різних рідин.
Скільки нуклонів міститься в ядрі
З'ясовано, що кількість внутрішніх нуклонів особливо мало так званих легких ядер. А у тих, що належать до категорії найлегших, практично всі нуклони розцінюються як поверхневі. Вважається, що енергія зв'язку атомного ядра – це величина, яка має зростати з кількістю протонів та нейтронів. Але навіть таке зростання не може продовжуватися до нескінченності. При певній кількостінуклонів - а це від 50 до 60 - набуває чинності інша сила - їхнє електричне відштовхування. Воно відбувається навіть незалежно від наявності енергії зв'язку всередині ядра.
Енергія зв'язку атомного ядра в різних речовинахвикористовується вченими у тому, щоб звільнити ядерну енергію.
Чимало вчених завжди цікавило питання: звідки виникає енергія, коли легші ядра зливаються у важкі? Насправді, дана ситуаціяаналогічна атомному поділу. У процесі злиття легких ядер, так само, як це відбувається при розщепленні важких, завжди утворюються ядра більш міцного типу. Щоб «дістати» з легких ядер всі нуклони, що знаходяться в них, потрібно витратити менша кількістьенергії, ніж те, що виділяється за її об'єднанні. Зворотне твердження також є вірним. Насправді енергія синтезу, яка припадає на певну одиницю маси, може бути і більшою за питому енергію поділу.
Вчені, які досліджували процеси розподілу ядра
Процес було відкрито вченими Ганом та Штрасманом у 1938 році. У стінах Берлінського хімічного університету дослідники відкрили, що в процесі бомбардування урану іншими нейтронами він перетворюється на більш легкі елементи, що стоять у середині таблиці Менделєєва.
Чималий внесок у розвиток цієї галузі знання зробила і Ліза Мейтнер, якою Ган свого часу запропонував вивчати радіоактивність разом. Ган дозволив Мейтнер працювати лише на тій умові, що вона проводитиме свої дослідження в підвалі і ніколи не підніматиметься на верхні поверхи, що було фактом дискримінації Однак це не завадило досягти значних успіхів у дослідженнях атомного ядра.
Оскільки нуклони в ядрі пов'язані ядерними силами, те щоб розділити ядро на складові протони і нейтрони треба витратити велику енергію. Така ж енергія звільняється, якщо вільні протони та нейтрони об'єднуються та утворюється ядро. Ця енергія називається енергією зв'язку ядра. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна енергії відповідає маса. Тому маса ядра повинна бути меншою за суму мас складових його вільних протонів і нейтронів. Різниця між сумою мас спокою вільних протонів та нейтронів, з яких утворено ядро та масою ядра називається дефектом маси ядра. Енергія зв'язку дорівнює: Есв = З 2 × D m
D m- Дефект маси ядра.
Енергію зв'язку виражають у мегаелектронвольтах (МеВ) (МеВ = 106 ЕВ). Оскільки атомна одиниця маси (а. е. м) дорівнює 1,66 × 10 -27 кг, можна визначити відповідну їй енергію:
За допомогою мас-спектрографа було виміряно маси всіх ізотопів та обчислено значення дефекту маси та енергії зв'язку для всіх ядер, які використовують для розрахунку ядерних реакцій. Якщо у якійсь реакції виходять ядра і частки сумарна маса яких менша ніж у вихідних ядер і частинок, то таких реакціях звільняється енергія; якщо більше – то поглинається і мимоволі така реакція не станеться.
Проведемо енергетичний розрахунок ядерної реакції перетворення радію на радон: 
. Енергія зв'язку вихідного ядра становить 1731,6 МеВ, а сумарна енергія зв'язку ядер, що утворилися дорівнює 1708,2 +28,3 = 176,5 МеВ і більше енергії зв'язку вихідного ядра на 4,9 МеВ. Отже, у цій реакції звільняється енергія 4,9 МеВ, яка переважно становить кінетичну енергію g-частинки.
Велике значеннямає енергія зв'язку, що припадає на 1 нуклон. Чим вона більша, тим міцніше ядро. Найбільш міцні середні ядра. Легкі ядра недостатньо використовують свої енергії зв'язку. Тяжкі ядра послаблюють кулонівськими силами відштовхування, які на відміну від ядерних діють між усіма нуклонами ядра. Звідси випливає важливий висновок: енергія звільняється, коли утворюються середні ядра. Це може бути при розподілі важкого ядра на два середніх атомних реакторахабо ж при синтезі середнього ядра з двох легших. Це термоядерні реакції синтезу, що відбуваються на сонці та зірках.
ЗАДАЧІ ДО БЛОКУ 25
1. На що перетворюється ізотоп торію ядро якого зазнає трьох послідовних a розпаду.
Рішення:
При випромінюванні a-частинки заряд ядра зменшується на 2 одиниці, а масове число на 4 одиниці, значить при випромінюванні 3-х a-частинок заряд ядра зменшується на 2 × 3 = 6 одиниць, а масове число на 4 × 3 = 12 одиниць значить вийде ізотоп за таблицею знаходимо, що це полоній або 
2. При бомбардуванні азоту нейтронами утворюється два ізотопи, один з яких є ізотопом водню Ізотоп якого елемента утворюється при цій ядерній реакції.
В даному випадкувідбувається ядерна реакція із отриманням невідомого ізотопу Х.
У ядерних реакціях зберігається число нуклонів та заряд, тому сума нижніх та верхніх індексів постійна.
За таблицею Менделєєва знаходимо, що виходить вуглець:
Таким чином: 
3.
Дописати ядерну реакцію: 
Визначаємо, що невідома частка має зарядове число 1 і масове 1, отже ізотоп водню , тобто. протон, тобто. маємо: 
4. Знайти енергію, що відповідає 1 а.е.м. Виразити її в МеВ.
Рішення:
Е = m c 2
m= 1 а.е.м. = 1,66 × 10 -27 кг
З= 3 × 10 8 м/с
Е= 1,66 × 10 -27 × (3 × 10 8) 2 = 14,94 × 10 -11 Дж
1 ЕВ = 1,6×10 -19 Дж
Значить: 1 а.е. відповідає 931 МЕВ.
5. Обчислити енергію ядра тритію, якщо маса протона m р= 1,00814 а.е.м., маса нейтрону m n= 1,00898 та маса атома тритію А= 3,01700 а.о.м.
Дано:
m р= 1,00814 а.
m n = 1,00898
А = 3,01700 а.о.м.
__________________
Є св – ?
Рішення:
Ядро тритію: складається з одного протону і двох нейтронів, сумарна маса яких: m р + 2m n = 1,00814 + 2 × 1,00898 = = 3,02610
Значить дефект маси:
D m= 3,02610 – 3,01700 а.о.м. = 0,00910 а.о.м.
т.к. 1 а.е.м - 931 МЕВ; то Є св= 931×D mабо
Є св= 931×0,00910 (МЕВ) = 8,5 МЕВ
Відповідь: 8,5 МЕВ
6. Виділяється або поглинається енергія при реакції:
Можна було вирахувати енергію зв'язку кожного ядра, але можна скористатися і спеціальною таблицею:
Сумарна маса ядер та частинок до реакції: 39,2 + 28,3 = 67,5 МЕВ
після реакції: 64,7 + 0 = 64,7 МЕВ
Значить у такій реакції поглинається енергія: 67,5 - 64,7 = 2,8 МЕВ
7.
Визначити енергію при реакції: 
до реакції: 2,2 + 2,2 = 4,4 МЕВ
після реакції: 8,5 МЕВ
енергія виділиться: 8,5 - 4,4 = 4,1 МеВ
8. Є 4 р радіоактивного кобальту. Скільки грамів кобальту розпадається за 216 діб, якщо період напіврозпаду 72 діб?
Дано:
m 0 = 4 г
t= 216 діб.
Т= 72 добу.
D m – ?
Рішення:
Оскільки маса речовини прямо пропорційна числу атомів, то: DN = N 0 - N;
Значить: 
Значить: і
Відповідь: 3,5 р.
9. Є 8 кг радіоактивного цезію. Визначити масу цезію, що не розпався, після 135 років радіоактивного розпаду, якщо його період напіврозпаду дорівнює 27 рокам.
Ще зовсім недавно люди вважали, що атом - це цілісна неподільна частка. Пізніше стало ясно, що він складається з ядра і електронів, що обертаються навколо нього. При цьому центральна частина знову вважалася неподільною та цільною. Сьогодні ми знаємо, що вона складається з протонів та нейтронів. Причому, залежно від кількості останніх, в однієї й тієї ж речовини може бути кілька ізотопів. Отже, тритій - за речовину, як її отримати та використати?
Тритій – що це таке?
Водень - найпростіша речовина у природі. Якщо говорити про його найпоширенішу форму, про яку докладніше буде сказано трохи нижче, його атом складається лише з одного протона і одного електрона. Однак він може приймати і "зайві" частинки, які дещо змінюють його властивості. Так, ядро тритію складається з протону і двох нейтронів. І якщо протий, то є сама проста формаводню - це те про його "покращену" версію цього не скажеш - у природі він зустрічається у незначних кількостях.
Ізотоп водню тритій (назва походить від грецького слова "третій") був відкритий в 1934 Резерфордом, Оліфантом і Хартеком. І насправді, знайти його намагалися дуже довго і завзято. Відразу після відкриття дейтерію та важкої води в 1932 році вчені стали шукати цей ізотоп за допомогою підвищення чутливості щодо звичайного водню. Однак, незважаючи ні на що, їхні спроби були марні - навіть у найконцентрованіших зразках не вдавалося отримати навіть натяк на присутність речовини, яка була просто зобов'язана існувати. Але в результаті пошуки таки увінчалися успіхом - Оліфант синтезував елемент за допомогою в лабораторії Резерфорда.
Якщо коротко, то визначення тритію звучить так: радіоактивний ізотоп водню, ядро якого складається з протона і двох нейтронів. Що про нього відомо?
Про ізотопи водню
Перший елемент періодичної таблиці є одночасно найпоширенішим у Всесвіті. При цьому в природі він зустрічається у вигляді одного із трьох своїх ізотопів: протию, дейтерію або тритію. Ядро першого складається з одного протона, що дало йому назву. До речі, це єдиний стабільний елемент, який не має нейтронів. Наступним у низці ізотопів водню є дейтерій. Ядро його атома складається з протону і нейтрону, а назва перегукується з грецьким словом " другий " .
У лабораторії були отримані ще важчі ізотопи водню з масовими числами від 4 до 7. Період їх напіврозпаду обмежується частками секунд.
Властивості
Атомна маса тритію становить приблизно 3,02 а. е. м. За своїми фізичним властивостямця речовина майже не відрізняється від звичайного водню, тобто в нормальних умовахє легким газом без кольору, смаку і запаху, має високу теплопровідність. При температурі близько -250 градусів за Цельсієм стає легкою та текучою безбарвною рідиною. Діапазон, у яких він перебуває у цьому агрегатному стані досить вузький. Температура плавлення становить близько 259 градусів за Цельсієм, нижче за яку водень стає снігоподібною масою. Крім того, цей елемент досить добре розчиняється у деяких металах.
Проте є деякі відмінності у властивостях. По-перше, третій ізотоп має меншу реакційну здатність, а по-друге, тритій радіоактивний і у зв'язку з цим нестійкий. становить трохи більше ніж 12 років. У процесі радіолізу він перетворюється на третій ізотоп гелію з випромінюванням електрона та антинейтрино.
Отримання
У природі тритій міститься в незначних кількостях і утворюється найчастіше в верхніх шарахатмосфери при зіткненні космічних частинок і, наприклад, атомів азоту. Однак існує і промисловий методотримання цього елемента за допомогою опромінення літію-6 нейтронами в
Синтез тритію в обсязі, маса якого становить близько 1 кілограма, коштує приблизно 30 мільйонів доларів.
Використання
Отже, ми трохи більше дізналися про тритій – що це таке та його властивості. Але навіщо він потрібний? Розберемося трохи нижче. За деякими даними світова комерційна потреба в тритії становить близько 500 грамів на рік, ще близько 7 кілограмів йде на військові потреби.
За даними американського інституту досліджень енергетики та довкілля, з 1955 по 1996 рік у США було вироблено 2,2 центнери надважкого водню. На 2003 рік загальні запаси цього елемента становили близько 18 кілограм. Навіщо вони використовуються?
По-перше, тритій необхідний для підтримки боєздатності ядерної зброї, яку, як відомо, поки що мають деякі країни. По-друге, без нього не обходиться термоядерна енергетика. Ще тритій використовується в деяких наукових дослідженнях, наприклад, у геології за його допомогою датують природні води. Ще одне призначення - джерело живлення підсвічування у годиннику. Крім того, в даний час проводяться експерименти створення радіоізотопних генераторів надмалої потужності, наприклад, для живлення автономних датчиків. Очікується, що в цьому випадку термін їхньої служби становитиме близько 20 років. Вартість такого генератора становитиме близько однієї тисячі доларів.
В якості оригінальних сувенірівтакож існують брелоки з невеликою кількістютритію всередині. Вони видають світіння і виглядають досить екзотично, особливо якщо знати про внутрішній зміст.
Небезпека
Тритій радіоактивний, саме цим пояснюється частина його властивостей та видів використання. Його період напіврозпаду становить близько 12 років, при цьому утворюється гелій-3 з випромінюванням антинейтрино та електрона. У процесі цієї реакції виділяється 18,59 кВт енергії та бета-частинки поширюються у повітрі. Обивателю може здатися дивним, що радіоактивний ізотоп використовується, скажімо, для підсвічування годинника, адже це може бути небезпечним, хіба ні? Насправді тритій чи чимось загрожує людському здоров'ю, оскільки бета-частинки в процесі його розпаду поширюються максимум на 6 міліметрів і не можуть подолати найпростіших перешкод. Втім, це не означає, що робота з ним абсолютно безпечна – будь-яке потрапляння всередину з їжею, повітрям чи вбирання через шкіру може призвести до проблем. Хоча в більшості випадків він легко та швидко виводиться, так буває не завжди. Отже, тритій – що це таке з погляду радіаційної небезпеки?
Заходи захисту
Незважаючи на те що мала енергіярозпад тритію не дозволяє радіації серйозно поширюватися, так що бета-частинки не можуть подолати навіть шкіру, не варто нехтувати своїм здоров'ям. При роботі з цим ізотопом можна, звичайно, не використовувати костюм радіаційного захисту, але елементарні правила, такі як закритий одягта хірургічні рукавички, дотримуватися необхідно. Оскільки основну небезпеку тритій становить при потраплянні всередину, важливо припинити діяльність, коли це стане можливим. В іншому турбуватися нема про що.
Якщо все ж таки він у велику кількістьнадійшов у тканини організму, може розвинутися, гостра або хронічна променева хвороба залежно від тривалості, дози та регулярності впливу. У деяких випадках ця недуга успішно виліковується, але при великих поразках можливий летальний кінець.
В будь-якому нормальному організміє сліди тритію, хоч вони і абсолютно незначні і навряд чи впливають на Ну а у любителів годинника зі стрілками, що світяться, його рівень вищий у кілька разів, хоча і все одно вважається безпечним.
Надважка вода
Тритій, як і звичайний водень, може утворювати нові речовини. Зокрема, він входить у молекулу так званої надважкої (суперважкої) води. Властивості цієї речовини не надто відрізняються від звичної кожній людині H 2 O. При тому, що тритієва вода також може брати участь у метаболізмі, вона відрізняється досить високою токсичністю і виводиться протягом десятиденного терміну, за який тканини можуть отримати достатньо. високий рівеньопромінення. І хоча ця речовина менш небезпечна сама по собі, вона є більш небезпечною у зв'язку з періодом, протягом якого перебуває в організмі.