Сколько нуклонов помещается в ядре
Выяснено, что количество внутренних нуклонов особенно мало у так называемых легких ядер. А у тех, что относятся к категории самых легких, практически все нуклоны расцениваются как поверхностные. Считается, что энергия связи атомного ядра – это величина, которая должна расти с количеством протонов и нейтронов. Но даже такой рост не может продолжаться до бесконечности. При определенном количестве нуклонов – а это от 50 до 60 – приходит в действие другая сила – их электрическое отталкивание. Оно происходит даже независимо от наличия энергии связи внутри ядра.
Энергия связи атомного ядра в различных веществах используется учеными для того, чтобы высвободить ядерную энергию.
Многих ученых всегда интересовал вопрос: откуда возникает энергия, когда более легкие ядра сливаются в тяжелые? На самом деле, данная ситуация аналогична атомному делению. В процессе слияния легких ядер, точно так же, как это происходит при расщеплении тяжелых, всегда образуются ядра более прочного типа. Чтобы «достать» из легких ядер все находящиеся в них нуклоны, требуется затратить меньше количество энергии, нежели то, что выделяется при их объединении. Обратное утверждение также является верным. На самом деле энергия синтеза, которая приходится на определенную единицу массы, может быть и больше удельной энергии деления.
Энергия связи нуклонов
Возможность существований ядер с большим количеством протонов, а также стабильность нейтрона в составе ядра объясняется уровнем энергии связи. Ядерные силы удерживают нуклоны в ядре, и чтобы «извлечь» их оттуда, необходимо затратить энергию. Оказывается, что система из отдельных нуклонов обладает большей энергией, чем система, где нуклоны связаны. Любые процессы в Природе идут в сторону уменьшения энергии системы, поэтому нейтрон в составе ядра не распадается – это энергетически невыгодно, энергия связи удерживает его от распада. Эта же энергия удерживает протоны вместе. Лишь когда число нуклонов слишком велико, энергии связи ядра оказывается недостаточно – в этом случае протоны могут разлететься, и нейтроны также теряют стабильность.
Энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Как только частицы оказываются в зоне действия ядерных сил – они устремляются друг к другу с огромным ускорением, излучая энергию связи в виде γ-квантов. Для того, чтобы расщепить ядро, необходимо вновь затратить эту энергию.
Энергия связи ядра. Дефект масс
Благодаря ядерным силам, нуклоны в ядре связаны очень прочно. Для того, чтобы разорвать эту связь, нужно совершить работу, то есть, затратить определённую энергию. Минимальную энергию, необходимую для разделения ядра на отдельные частицы, называют энергией связи ядра атома. При соединении отдельных нуклонов в ядро атома выделяется энергия, по величине равная энергии связи. Эта энергия имеет огромную величину. К примеру, если сжечь 2 вагона каменного угля, то выделится энергия, которую можно получить при синтезе всего лишь 4 г химического элемента гелия.
Как определить величину энергии связи?
Для нас очевидно, что суммарная масса апельсина равна сумме масс всех его долек. Если каждая долька весит 15 г, а долек в апельсине 10, то вес апельсина 150 г. По аналогии казалось бы, масса ядра должна быть равна сумме масс нуклонов, из которых оно состоит. На самом же деле всё оказывается не так. Эксперименты показывают, что масса ядра меньше суммы масс частиц, в него входящих. Как такое возможно? Куда исчезает часть массы?
Вспомним закон эквивалентности массы и энергии, который называется также законом взаимосвязи массы и энергии и выражается формулой Эйнштейна:
E = mc2;
где Е – энергия, m – масса, с – скорость света.
m = E/c2.
Согласно этому закону масса не исчезает, а превращается в энергию, выделяемую при соединении нуклонов в ядро.
Разность масс ядра и суммарной массы отдельных нуклонов, входящих в него, называют дефектом массы и обозначают Δm.
Находящаяся в покое масса содержит огромный запас энергии. И при соединении нуклонов в ядро выделяется энергия ΔЕ = Δm·c2, а масса ядра уменьшается на величину Δm. То есть, дефект масс – величина, эквивалентная энергии, которая выделяется при образовании ядра.
Δm = ΔE/c2.
Дефект масс можно определить и по-другому:
Δm = Z·mp + N·mn — Mя
где Δm – дефект масс,
Mя– масса ядра,
mp – масса протона,
mn – масса нейтрона,
Z – число протонов в ядре,
N– число нейтронов в ядре.
Mя < Z·mp + N·mn.
Оказывается, дефект масс имеют все химические элементы за исключением протия, атома водорода, в ядре которого всего один протон и ни одного нейтрона. И чем больше нуклонов в ядре элемента, тем больше дефект массы для него.
Зная массы частиц, которые взаимодействуют в ядерной реакции, а также частиц, которые образуются в результате, можно определить величину выделяемой и поглощаемой ядерной энергии.
- < Назад
- Вперёд >
Ученые, исследовавшие процессы деления ядра
Процесс деления ядра был открыт учеными Ганом и Штрасманом в 1938 году. В стенах Берлинского химического университета исследователи открыли, что в процессе бомбардировки урана другими нейтронами, он превращается в более легкие элементы, стоящие в середине таблицы Менделеева.
Немалый вклад в развитие этой области знания внесла и Лиза Мейтнер, которой Ган в свое время предложил изучать радиоактивность вместе. Ган разрешил Мейтнер работать лишь на том условии, что она будет проводить свои исследования в подвале и никогда не станет подниматься на верхние этажи, что было фактом дискриминации. Однако это не помешало достичь ей значительных успехов в исследованиях атомного ядра.
Ядерные силы
По современным представлением ядро атома состоит из частиц, называемых элементарными – протонов и нейтронов (общее название – нуклоны).
Рис. 1. Состав ядра атома.
Нуклоны похожи, но протон имеет положительный заряд и стабилен. Нейтрон не имеет заряда и в свободном состоянии распадается (период полураспада ~ 10 мин).
Казалось бы, существование ядер, состоящих из многих нуклонов невозможно – протоны, обладающие одинаковым зарядом, должны разлетаться. Нестабильные нейтроны должны распадаться.
Однако, в реальности многие атомы стабильны. Это происходит в результате ядерного взаимодействия. Ядерные силы на два порядка сильнее кулоновских сил, и их с запасом хватает на преодоление отталкивания протонов.
Рис. 2. Ядерные силы.
Но, если переносчики кулоновского взаимодействия – фотоны – не имеют массы покоя, и переносят взаимодействие на неограниченное расстояние, переносчики ядерного взаимодействия – глюоны или составленные из них мезоны – имеют массу, и осуществляют перенос взаимодействие на очень малые расстояния. В результате стабильными должны быть только ядра с очень небольшим числом протонов без нейтронов.
