Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома.

Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома.

Изучение состава атомного ядра проводилось экспериментально с помощью бомбардировки ядра α – частицами. При подобной бомбардировке из ядра вылетали частицы, входящие в его состав.

Первой такой частицей, открытой Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке ядра азота, был протон (ядро атома водорода). Обозначается протон или .

В 1932 г. английский физик Дж.Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой -нейтроны .

После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра - ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов (нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу (обозначают – А: А =Z+N).

Например, ядро атома ²³⁵₉₂U состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

В 1911 г. Ф. Содди предположил, что ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами одного и того же химического элемента. Такие ядра он назвал изотопами. Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Изотопы имеют одинаковые химические свойства, что обусловлено одинаковым электрическим зарядом ядра, но разные физические свойства, обусловленные массой (числом нейтронов). Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий - ядро состоит из одного протона , дейтерий – ядро состоит из одного протона и одного нейтрона , тритий - ядро состоит из одного протона и двух нейтронов .

Т.к. ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими. Нуклоны в ядре удерживаются особыми силами – ядерными.

Ядерные силы- силы притяжения, действующие между протонами и нейтронами в ядре и обеспечивающие устойчивость ядер. Это самые мощные силы в природе (в 100 раз превосходят силу электрические); имеют свойство зарядовой независимости; они короткодействующие (10^-15 м).

Для того чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, необходимо совершить работу, то есть сообщить ядру некоторую энергию. Энергия, которую надо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны - энергия связи ядра. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Наиболее простой путь нахождения этой энергии основан на применении закона Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = mc². Из-за энергии связи масса покоя ядра Μ_я меньше суммы масс составляющих его нуклонов Μ_я Z т_р + N т_п т.е. существует дефект масс Μ_я = Z т_р + N т_п- Μ_я Энергия связи ядра связана с дефектом масс соотношением Е_св = Μ c²= (Z т_р + N т_п- Μ_я ) c².

О том как велика энергия связи можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, как при сгорании 5-6 вагонов каменного угля.

Важной характеристикой ядра служит энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра — удельная энергия связи ядра(Е_св/A) . Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы (см. рис.)

У легких ядер большая доля нуклонов находится на поверхности ядра, где они не полностью используют свои связи и удельная энергия связи невелика.

У тяжелых ядерудельная энергия связиуменьшается за счет возрастания кулоновских сил отталкивания между протонами, ослабляющими связи в ядре.

Таким образом, энергетически выгодны два способа высвобождения ядерной энергии: деление тяжелых ядер (цепная ядерная реакция) и синтез легких ядер (термоядерная реакция).

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒