Модели ядра. Масса и энергия связи ядра.

Модели ядра

1.Капельная, в которой трактуют ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной, подчиняющейся законам квантовой механики. Эта модель объяснила механизм ядерных реакций, особенно реакций деления ядер. Но она не смогла объяснить, в частности, повышенную устойчивость некоторых ядер.

2.Оболочечная модель. Нуклоны в ядре распределены по дискретным энергетическим уровням (оболочкам). Их заполнение происходит согласно принципу Паули, а устойчивость ядер связывается с заполнением уровней. Ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы. Такие ядра называются магическими. Такими являются ядра в которых число протонов, либо нейтронов (либо их сумма) равна 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (например, ⁴₂He, ¹⁶₈O, ⁴⁰₂₀Ca, ²⁰⁸₈₂Pb).

Существует и обобщённая модель (синтез капельной и оболочечной).

4.Масса и энергия связи ядра.

По данным масс-спектрометрических измерений масса атомного ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Для полного разделении ядра на отдельные свободные нуклоны, необходимо произвести работу, которая определяет энергию связи ядра Е_св. Наоборот, при образовании ядра выделяется такая же энергия, например, в виде энергии электромагнитного излучения. Энергия связи является разностью между энергией нуклонов, связанных в ядре и их энергией в свободном состоянии.

Е_св = (Ʃm_нукл – m_я)*с², или Е_св = [zm_p+(A-z)m_n-m_я]с²

Величину ∆m=[zm_p+(A-z)m_n]-m_я называют дефектом массы ядра.

Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся в среднем на 1 нуклон. То есть ∆Е_св=Е_св/A. Эта величина характеризует устойчивость ядра: чем больше ∆Е_св, тем ядро прочнее. Среднее значение ∆Е_св нуклона в ядре около 8МэВ (при А>20). Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами А в интервале 50-60 (элементы Cr до Zn). ∆Е_св при этом достигает 8,7 МэВ/нуклон. При увеличении А ∆Е_св уменьшается (например, для урана ²³⁸₉₂U ∆Е_св=7,6 МэВ/нуклон). Уменьшение объясняется тем, что с увеличением числа протонов в ядре увеличивается кулоновское отталкивание. На рис. представлена зависимость ∆Е_св (А).

Энергетически выгодно: а) деление тяжелых ядер на более легкие; б)слияние легких ядер в более тяжелые (термоядерный синтез).

При этих процессах выделяется большое количество энергии.

Примечание: для деления ядер нужна энергия активации, например нейтроном. Слиянию ядер препятствует кулоновское отталкивание, для его преодоления необходимо движение ядер с огромной скоростью, соответствующей температуре в несколько сот миллионов градусов.

Ядерные реакции – превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. Наиболее важные с практической точки зрения ядерные реакции под действием нейтронов. Например, реакция деления ядра урана ²³⁸₉₈U+¹₀n→²³⁷₉₂U+2¹₀n, сопровождаемая выделением огромного количества энергии (~1МэВ на 1 нуклон). При этом каждый из нейтронов, возникающих в ходе реакции взаимодействует с соседними ядрами. Происходит лавинообразное нарастание числа актов деления – цепная реакция.

Достаточны эффективны для возбуждения ядерных реакций медленные нейтроны (от 10^-7 эВ до 10⁴ эВ) так как они относительно долго находятся вблизи атомного ядра, а поэтому довольно большая вероятность захвата нейтрона ядром. Для замедления в реакторах используется графит.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие частицы образуют ядро атома? Водорода? Гелия? Углерода?

2. Чем отличаются изотопы?

3. Охарактеризуйте кратко протон и нейтрон.

4. В чем состоит явление ядерного магнитного резонанса? Где оно используется?

5. Каковы свойства ядерных сил?

6. Какие модели ядра вы знаете? В чем их суть?

7. Что такое энергия связи ядра? Как ее можно рассчитать? Нарисуйте зависимость ∆Е_св (А).

8. Что представляет собой ядерная реакция? Деления? Термоядерного синтеза?

9. Как можно использовать ядерную энергию? Приведите примеры.

⇐ Предыдущая 12