Дефект массы и энергия связи ядра

Атомные ядра - устойчивые образования; т.е., в ядре между нукло­нами существует определенная связь, имеющая характер сил притяжения. Изучение этой связи может быть проведено в известных пределах энергетическими методами без привлечения сведений о характере и свойствах ядерных сил.

Всякому изменению массы должно соответствовать измене­ние энергии, - при обра­зовании ядра должна выделяться опреде­ленная энергия. Из закона сохранения энергии вытекает и обратное: для разделе­ния ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании.

Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нук­лоны, называется энергией связи ядра. Т.о. энергией связи атомного ядра можно назвать разность между суммарной энергией свободных нуклонов, составляющих данное ядро и их энергией в ядре. Энергия связи нуклонов в ядре .

где m_p, m_n, m_я - массы протона, нейтрона и ядра. По сравнению с энергией связи нуклонов в ядре энергия связи электронной оболочки атома с ядром и соответствующий дефект массы принебрежимо малы. Поэтому массу нейтрального атома можно принимать равной сумме масс ядра и свободных электронов, из которых образовалась электронная оболочка атома: . В таблицах обычно приводятся не массы ядер, а для массы атомов - вводят замены , где - масса атома водорода, и пользуются формулой

- дефект массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.

Энергия связи , где коэффициент перехода от массы к энергии, численно равный квадрату скорости света в вакууме; . Если энергия выражена в мегаэлектрон-вольтах, а масса в атомных единицах, то

Термин «дефект массы» иногда применяют в другом смысле: дефектом массы наз. разность между массой нейтрального атома данного изотопа и его массовым числом : . Т.о. дефект массы показывает отклонение массы атома от целочисленного значения. Эта величина физического смысла не имеет, но ее использование позволяет в ряде случаев заметно упростить вычисления.

Массу ядер можно опреде­лить с помощью масс-спектрометров - измерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными заряда­ми Q/m. Масс-спектрометрические изме­рения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нукло­нов.

Вместо энергии связи можно рассматривать удельную энергию связи — энергию связи, отнесенную к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше ,тем устойчивее ядро). Зависит от массового числа А элемента.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объяс­няется тем, что с возрастанием числа про тонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Связь между нуклонами становится ме­нее сильной, а сами ядра менее проч­ными.

Энергетиче­ски выгодны следующие процессы:

1) де­ление тяжелых ядер на более легкие;

2) слияние легких ядер друг с другом в бо­лее тяжелые.

При обоих процессах вы­деляется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуще­ствлены практически (реакции деления и термоядерные реакции).