СОСТАВ ЯДРА АТОМА. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

1. Состав атомного ядра. Вскоре после открытия нейтрона (1932 г.) советский физик Д. Д. Иваненко и несколько позднее немецкий физик В. Гейзенберг высказали предположение, согласно которому атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Число протонов Z , входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен +Ze . Число Z называется атомным номером (оно определяет порядковый номер химического элемента в Периодической таблице Менделеева) или зарядовым числом ядра.

Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A -Z .

Для обозначения ядер применяется символ

где под X подразумевается химический символ элемента. Вверху ставится его массовое число, внизу - атомный номер.

2. Изотопы. С 1906 г. известно, что не все атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковую массу. Например, среди атомов хлора встречаются атомы с массой, близкой к 35, и массой, близкой к 37. Среди атомов урана встречаются атомы с массой 234, 235, 238 и 239. Есть различия по массе и у атомов других веществ.

Все изотопы одного и того же элемента имеют очень близкие химические свойства, что свидетельствует об одинаковом строении их электронных оболочек, а следовательно, и об одинаковых зарядах ядер и о равном числе протонов в ядрах. Отсюда происходит и их название - от греческого слова "изос" - одинаковый и "топос" - место: одинаковое место в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева.

Отличие в массе у изотопов вызвано различным числом в них нейтронов. Таким образом, изотопами называют разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе их ядер.

3.

Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада Т данного вещества. Пусть число радиоактивных атомов N , время t =0. Через t1 =Т число нераспавшихся ядер N1 = N0 /2, через t2 =2Т останется

По истечении времени t=nT, т.е. спустя n периодов полураспада T, радиоактивных атомов останется:

.

Поскольку n=t/T,

.

Это и есть основной закон радиоактивного распада.

4. Ядерные силы. Простые факты свидетельствуют о прочности атомных ядер: окружающие нас предметы существуют длительное время, не распадаясь на частицы. Но как эти факты объяснить? Ведь в состав атомных ядер входят протоны, и электростатические силы отталкивания должны были бы их "растолкнуть". Отсюда следует вывод, что внутри ядер между нуклонами действуют какие-то силы, превосходящие силы электростатического отталкивания. Эти силы получили название ядерных сил. Ядерные силы действуют между любыми нуклонами (между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами). Характерной особенностью ядерных сил является их короткодействие: на расстояниях 10 -15 м они примерно в 100 раз больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстояниях 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми.

5. Энергия связи. Для удаления из ядра протона или нейтрона необходимо совершить работу по преодолению короткодействующих ядерных сил. В результате энергия системы "оставшееся ядро - удаленный нуклон" увеличивается на ∆E , равную работе внешних сил.

Энергию, необходимую для полного разделения ядра на отдельные протоны и нейтроны, называют энергией связи ядра.

Согласно закону взаимосвязи массы и энергии, при этом увеличивается и масса частиц на

Следовательно, масса ядра всегда меньше сумм масс составляющих его частиц, взятых в отдельности. В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода-12.

1 а.е.м. = 1,6605655·10 -27 кг

В таблице приведены массы некоторых стабильных ядер и элементарных частиц.

Таблица

Символ ядра Масса, а. е. м. Символ ядра Масса, а. е. м.
1,008665 14,003242
1,007825 16,999134
4,002603 235,043933

Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения,и сформулированному впервые Содди: при a-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает приблизительно на четыре атомных единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху символа. Например, водород обозначается символом   . Для a - частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При  β - распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь   обозначает электрон: индекс "0" вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы. После  β - распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы . Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.

Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра в свою очередь обычно также радиоактивны.

Пример. Пользуясь данными этой таблицы, подсчитаем энергию связи ядра атома гелия:  

Масса ядра гелия   - 4,002603 а.е.м.

Масса отдельных нуклонов

Разность масс: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) а.е.м. =0,030377 а.е.м., а энергия связи:

Так как: 1 а.е.м.= 1,660566*10 -27 кг, а с = 3*10 8 м/с, то ∆ E = 0,030377*1,660566*10 -27 кг * 9 10 16 м 2 2 , или ∆E =0,030377 * 1,660566·9·10 -11 Дж.

В ядерной физике энергию принято выражать в электронвольтах. Так как 1 эВ=1,60219·10-19Дж, то

Нетрудно заметить, что дробь

не зависит от условия задачи. Поэтому в дальнейшем расчеты в атомных реакциях будем производить так:


∆E = ∆m а.е.м. 931 МэВ/а.е.м.

Таким образом, энергия связи ядра атома гелия:

Разделив полную энергию связи ядра атома на число нуклонов в нем, можно получить так называемую удельную энергию связи. Для ядра атома гелия удельная энергия связи равна  МэВ на нуклон.

Ответ: удельная энергия связи для ядра атома гелия приблизительно равна 7МэВ на нуклон.

Рекомендации к теме

В данной работе изучаются темы, которые связаны с внутренним строением атома и атомного ядра. Поэтому Вам нужно хорошо знать состав атома. Повторите эту тему в курсе "Химии" или в учебнике "Физика. 7 класс".

При расчетах рекомендуется пользоваться калькулятором. Не забывайте переводить Дж (Джоуль) в эВ (электронВольт), потому что в ядерной физике используется другая единица измерения энергии - эВ.

Для решения задач необходимо вспомнить формулы импульса и энергии из раздела "Механика". При решении ответы можно округлять, но будьте осторожны, чтобы не потерять рассчитываемую энергию - она слишком мала.