Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи ядер

Тема: Физика атомного ядра

Урок: Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи ядер

1. Введение

Наличие ядра у атома было доказано Э. Резерфордом в 1911 году. В 1913 году Г. Мозли, анализируя характеристические рентгеновские спектры, доказал, что порядковый номер элемента равен зарядовому числу ядра. В 1919 году Э. Резерфорд открыл, что протон водит в состав всех ядер. Он выполнил первую рукотворную ядерную реакцию, в которой азот бомбардировался ядрами гелия, в результате появлялся кислород и водород, образовавшийся из протона.

Было доказано, что из ядра вылетают α-, β- и γ-частицы.

Модели атомного ядра.

1.    Протонно-электронная модель атомного ядра (Рис. 1)

Количество протонов в ядре равно массовому числу, а электроны компенсируют до зарядового числа заряд ядра.

Рис. 1. Протонно-электронная модель атомного ядра

В 1927 году Гейзенберг доказал ложность данной модели.

В 1932 году Д. Чедвик, выполняя по схеме Резерфорда реакцию с бериллием (бериллий бомбардировался α-частицами), обнаружил бериллиевое излучение. И доказал, что в этом излучении присутствует нейтральная частица – нейтрон.

2.   Протонно-нейтронная модель атомного ядра (Рис. 2)

В ядро входят только протоны и нейтроны. Общее их количество равно массовому числу ядра, а количество протонов равно зарядовому числу.

Рис. 2. Протонно-нейтронная модель атомного ядра

С высокой точностью были измерены массы протона и нейтрона:

m_p = 1,0072764701~1,00728 а.е.м.

m_n = 1,0086649041~ 1,00866 а.е.м.

Позднее оказалось, что протон и нейтрон являются двумя состояниями частицы – нуклона (N). Были открыты реакции превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон:

где :   – позитрон.

По современным представлениям, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов = Z, число нейтронов = M-Z, число нуклонов = М.

У разных изотопов разное массовое число.

 Изотопы – это элементы одинакового обозначения, имеющие одинаковый заряд, но разное количеством нуклонов.

Ядерные изобары – разные элементы с одинаковым количеством нуклонов.

Между протонами в ядре существуют особые сильные взаимодействия на расстояниях примерно 10^-15 метра. Между нуклонами, составляющими ядро, взаимодействия одинаковы. И это взаимодействие осуществляется пионами. Радиус действия: r_π~ 1,41*10^-15м = 1,41 Ф.

Плотность ядерного вещества: ρ_я~10¹⁷ кг/м³.

Эффективный размер атомных ядер: R=a*.

Существуют магические числа: 2, 8, 20, 28, 50 82 и 126. Если число протонов или нейтронов, или и того и того вместе соответствует какому-нибудь магическому числу, то это ядро является устойчивым образованием. Если не соответствует, то ядро является неустойчивым и возможен его распад.

Дефект масс.

а.е.м. – это 1/12 часть изотопа углерода .

Масса всего атома углерода  составляет 12 а.е.м. Ядро состоит из 12 нуклонов, а каждый из них имеет массу большую, чем 1 а.е.м.:

m_n  ~1,00866 а.е.м.

m_p~1,00728 а.е.м.

Если сложить массу всех нуклонов, которые содержатся в ядре:

6* m_p+ 6* m_n  = 6*1,00728+6*1,00866 = 12,09546 > 12

Это связано с тем, что при объединении нуклонов в ядро, происходит выделение энергии. Это выделение энергии приводит к уменьшению общей массы. Так получается дефект масс (Δm).

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_я

m_я = m_атома – Z* m_e, где m_e= 0,00055 а.е.м.

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_атома + Z* m_e

Зная дефект масс, можно вычислить энергию связи атомного ядра:

E_св = Δm*с² [Дж]=931* Δm [МэВ]

с – скорость света

Пример №1

   ^_ Z = 6, M – Z = 6

Δm = 6*1,00783+6*1,00866-12 = 0,09894 а.е.м.

E_св = 931*0,09894 = 92,1 МэВ – столько энергии выделяется при образовании ядра атома углерода.

1[МэВ]=1,6 *10^-13[Дж]

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, рассчитанная на 1 нуклон. Для разных ядер она имеет разные значения.

Два способа получения ядерной энергии:

1. Синтез легких ядер (осуществляется на Солнце).

2. Деление тяжелых ядер.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет:

1. Mathus.ru (Источник).