Главная >> Лекции по ядерной физике 1.4. Энергия связи и устойчивость ядер
1.4.1. Масса (m) и энергия (Е) - две формы существования материи, пропорционально взаимосвязанные между собой соотношением А.Эйнштейна Е = mc2, (1.5) где с - скорость света в вакууме (с = 2.997924 .108 м/с) Следовательно, 1 кг массы вещества обладает полной энергией Е » 1 .(3 .108)2 = 9 .1016 Дж = 2.5 .1010 кВт .час *) т.к. 1 кВт .час ≈ 3.6 .106 Дж
1.4.2. Так как 1 а.е.м. соответствует в единицах СИ массе 1.66056 .10-27 кг, то в единицах системы СИ полная энергия 1 а.е.м. вещества равна: Е ≈ 1.66056 .10-27(3 .108)2 = 1.4924 .1010 Дж. В ядерной физике энергии микрочастиц принято измерять в электронВольтах (эВ). 1 эВ - это энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В. Соотношение между упомянутыми единицами энергии: 1 эВ = 1.6022 .10-19 Дж или 1 Дж = 6.2414 .1018 эВ. Следовательно, энергетический эквивалент 1 а.е.м. вещества Е1аем = 9.315 .108 эВ = 931.5 МэВ.
1.4.3. Сумма масс отдельных свободных нуклонов, составляющих ядро, несколько больше массы покоя ядра, т.к. нуклоны в ядре связаны между собой ядерными силами притяжения, и, поскольку для осуществления этой связи необходима энергия (которой неоткуда взяться, кроме как из самих нуклонов), на эту связь нуклонов при образовании ядра при их сближении должна каким-то образом расходоваться часть массы самих нуклонов. Разница суммарной массы покоя составляющих ядро нуклонов и массы покоя ядра называется избытком (или дефектом) масс и обозначается Dm. Таким образом, в общем случае избыток массы ядра с массовым числом A и числом протонов в нем z найдется как Dm = zmp + (A - z)mn - Mя (1.6)
1.4.4. Энергия, потребная для разделения ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Разумеется, эта энергия численно равна энергии, затраченной при создании ядра из отдельных нуклонов, а потому в соответствии с законом А.Эйнштейна она должна определяться избытком (дефектом) массы: Есв= Dm .c2 = [zmp + (A - z)mn - Mя] с2. (1.7)
1.4.5. Часть энергии связи, приходящаяся в среднем на один нуклон ядра eсв = Eсв/ A, (1.8) называется удельной энергией связи. Эта величина является средней характеристикой ядерных сил, стягивающих нуклоны в ядре. Благодаря точному измерению масс ядер и составляющих их нуклонов стало возможным точно проанализировать характер изменения eсв в созданных Природой устойчивых ядрах различных масс. Представление о результатах такого анализа даёт график рис.1.1, из которого следует, что при малых значениях массовых чисел ядер величина удельной энергии связи eсв с ростом A резко увеличивается, достигая максимума при A = 50 ÷ 60 а.е.м., а при дальнейшем увеличении A - плавно уменьшается.
Рис. 1.1. Распределение удельной энергии связи в ядрах различных масс.
1.4.6. Из характера зависимости eсв(A) следуют две принципиальные возможности получения ядерной энергии:
а) синтез лёгких нуклидов, например, дейтерия 2D1 по схеме:
2D1 + 2D1 ® 4He2.
У дейтерия eсв = 1.11 МэВ/нуклон, следовательно, у двух ядер дейтерия, участвующих в процессе синтеза, суммарная энергия связи
Есв = 2 .1.11 + 2 .1.11 = 4.44 МэВ.
У продукта синтеза - гелия - eсв = 7.07 МэВ/нуклон, следовательно, энергия связи четырёх его нуклонов
Есв = 4 .7.07 = 28.28 МэВ
Разница суммарных энергий связи гелия и двух ядер дейтерия будет
DЕсв = 28.28 - 4.44 = 23.84 МэВ,
и эта энергия высвободится при синтезе ядра гелия из двух ядер дейтерия.
б) деление ядер тяжёлых элементов, например, ядра 235U:
235U ®139La + 96Mo
(одна характерная из множества возможных схем деления 235U).
У лантана eсв = 8.4 МэВ/нуклон, у молибдена eсв = 8.5 МэВ/нуклон, следовательно, суммарная энергия связи для этих двух осколков деления:
Есв = 8.4 .139 + 8.5 .96 = 1983.6 МэВ.
У урана eсв = 7.6 МэВ/нуклон, следовательно, суммарная энергия связи нуклонов в нём Есв = 7.6 .235 = 1786.0 МэВ.
Разница энергий связи осколков деления урана и самого ядра урана
DEсв = 1983.6 - 1786.0 = 197.6 МэВ,
и эта энергия высвободится при делении ядра урана-235.
1.4.7. Устойчивость нуклидов (то есть их способность к длительному существованию без изменений структуры и характеристик) должна определяться их массой A и зарядом z. Исследования стабильных ядер показали, что устойчивость ядер зависит от величины (A-z)/z, т.e. от соотношения чисел нейтронов и протонов в ядре. Диаграмма устойчивости (см. рис.1.2), которая как раз и иллюстрирует величину этого соотношения в зависимости от массового числа ядер, наглядно свидетельствует о том, что:
Рис.1.2. Нейтронно-протонное отношение в устойчивых ядрах различных масс.
а) в ядрах лёгких элементов (с атомной массой до 20 а.е.м.) нейтронно-протонное отношение приблизительно равно 1, то есть в лёгких устойчивых ядрах содержится приблизительно одинаковое число протонов и нейтронов;
б) с дальнейшим ростом атомной массы нуклидов А диапазон устойчивости смещается в область больших нейтронно-протонных отношений, которые достигают при больших значениях А величины 1.65.
Из последнего свойства устойчивых нуклидов следует важный практический вывод: при делении тяжёлых ядер образующиеся осколки деления будут наверняка неустойчивы (то есть радиоактивны) по причине их пересыщенности избыточными для их устойчивости нейтронами. Для того, чтобы образовавшийся при делении осколок стал устойчивым (или, по крайней мере, стал менее неустойчивым), он должен каким-то образом сбросить, испустить из своего состава избыточные для его устойчивости нейтроны. Что и наблюдается в действительности.
Испускание свободных нейтронов при делении тяжёлых ядер, имеющее решающее значение для осуществления самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления, обусловлено именно этим фактом.
1.4.8. На устойчивость ядер сильное влияние оказывает чётность или нечётность чисел протонов и нейтронов в них. Из всех исследованных природных стабильных ядер
- 167 являются чётно-чётными (то есть содержащими чётное число протонов и чётное число нейтронов);
- 55 - являются чётно-нечётными (с чётным числом протонов z и нечётным числом нейтронов A - z);
- 53 - являются нечётно-чётными (с нечётным числом протонов и чётным числом нейтронов);
- и лишь 4 являются нечётно-нечётными, и это все ядра лёгких элементов (2Н1, 6Li3, 10В5 и 14N7).
Высокую устойчивость чётно-чётных ядер объясняют природной склонностью протонов и нейтронов группироваться в ядре парами с противоположными спинами.
1.4.9. Одинаковость плотностей нуклонов в ядрах, плотности ядерного вещества, а также одинаковость среднего расстояния между соседними нуклонами в стабильных ядрах (см.п.1.3.9) позволили на основе аналогии ядерной структуры и несжимаемой жидкости построить капельную модель ядра атома и на её основе получить полуэмпирическую формулу для величины энергии связи - формулу Вайцзеккера:
Eсв= αA -βA2/3 - γz2/A1/3 - ε(A/2 -z)2/A + σ, (1.4.5)
где:
- αA - энергия связи ядра массой А в предположении, что все нуклоны равноценны и каждый из них взаимодействует только с ближайшими к нему соседями (подобно вандерваальсовому взаимодействию молекул в капле несжимаемой жидкости); величина коэффициента α = 15.56 МэВ установлена экспериментально;
- ΔE1 = βA2/3 - поправка на то, что находящиеся на поверхности ядра нуклоны связаны с соседями слабее, чем нуклоны внутри ядра (подобно поверхностным молекулам в капле воды); коэффициент β = 17.23 МэВ;
- ΔE2 = γ z2/A1/3 - вторая поправка на ослабление ядерных сил притяжения за счёт наличия кулоновского отталкивания протонов в ядре; величина эмпирического коэффициента γ = 0.71 МэВ;
- ΔE3 = ε(A/2 - z)2/A - третья поправка на ослабление энергии связи вследствие отклонения протонно-нейтронного отношения от единицы, называемая поправкой на протонно-нейтронную асимметрию; величина коэффициента ε = 93.46 МэВ;
- величина четвертой поправки σ - поправки на чётность - равна:
+σ - для чётно-чётных ядер;
0 - для ядер с нечётными массовыми числами A;
-σ - для нечётно-нечётных ядер;
Абсолютная величина этой поправки вычисляется по формуле:
σ = kA-3/4, где k = 34 МэВ.
1.4.10. Энергия связи ядра - по сути своей - энергия потенциальная. Стабильное ядро (как и всё стабильное в Природе) должно обладать минимумом потенциальной энергии. Энергетическое состояние ядра с минимумом его потенциальной энергии, из-за чего и достигается его длительная стабильность, называется основным состоянием.
Привнесение в стабильное ядро извне дополнительной энергии сверх уровня энергии основного состояния обязательно выводит ядро из устойчивого состояния, делает его нестабильным (или возбуждённым, или радиоактивным).
1.4.11. Реализуя свое природное стремление к устойчивости, возбуждённое ядро стремится "скатиться" к уровню основного состояния путём сбрасывания избытка энергии сверх уровня устойчивости с излучением из своего состава микрочастиц или жёсткого гамма-излучения. Этот физический процесс называется радиоактивным распадом ядра.
СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:
Социальные комментарии Cackle
|