Энергия связи атомных ядер

Энергия связи атомных ядер

Все больше и больше углубляясь в физику атомного ядра, человечество приближается к разгадкам величайших тайн природы.

Для примера рассмотрим ядро атома кислорода.

Порядковый номер кислорода в таблице Менделеева – это 8, а массовое число – 16. Значит, в ядре атома кислорода содержится 8 протонов и 8 нейтронов. Ядро атома данного изотопа кислорода имеет массу, равную 15,9949. Поскольку масса протона, как и масса нейтрона, чуть больше одной атомной единицы массы, ясно, что их суммарная масса будет больше массы ядра атома кислорода. Такую разницу назвали дефектом масс. То есть, дефект масс – это разность между суммарной массой нуклонов, входящих в состав атомного ядра и массой самого ядра.

Но куда же пропадает эта масса? Дело в том, что при образовании ядра была затрачена некоторая энергия. В соответствии с известным уравнением Эйнштейна, масса может превращаться в энергию, и, наоборот – энергия – в массу.

Именно таким образом можно определить энергию связи ядер. Для этого нужно дефект масс умножить на скорость света в квадрате, и мы получим энергию в джоулях.

Но, обратите внимание, что в данной формуле масса должна измеряться в килограммах, а не в атомных единицах. Для удобства в атомной физике используют другую формулу: дефект масс в атомных единицах умножают на 931,5, и получают энергию в мегаэлектрон-вольтах.

Дело в том, что

На сегодняшний день известно, что дефект масс присутствует во всех ядрах, кроме ядра протия, поскольку ядро протия состоит из одного протона.

Возьмем произвольный элемент и обозначим его . Число протонов в ядре атома данного элемента равно зарядовому числу (то есть, Z). Число нейтронов в этом ядре равно разности между числом нуклонов и числом протонов (т.е., ). Тогда, дефект масс

Энергия связи равна

Ещё раз обратите внимание, что в данной формуле дефект масс должен быть выражен в атомных единицах массы, а энергия получится в мегаэлектрон-вольтах (МэВ).

Ещё одной очень важной величиной в атомной физике является удельная энергия связи. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Эта величина характеризует, насколько стабильны те или иные ядра атомов.

Упражнения.

Задача 1. Определите энергию связи ядра Fe-56 в МэВ и найдите удельную энергию связи.

Задача 2. Найдите массу урана 238, расходуемую АЭС для выделения того же количества энергии, которое расходует ТЭС при сжигании 100 т нефти?