47. Характеристики атомного ядра. Атомная единица массы. Изотопы. Состав атомного ядра

47. Характеристики атомного ядра. Атомная единица массы. Изотопы. Состав атомного ядра

Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа

Атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели ядра, измерение отношения e / m для электрона, α -частицы, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц (нуклонов) – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г. ), которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

Рис. 1. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α –частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

Положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1, 60217733·10^–19 Кл.

Масса протона  m_p = 1, 67262·10^–27 кг; В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м. ): m_p = 1, 007276 · а. е. м. (1 а. е. м. = 1, 66057·10^–27 кг = 1/12 массы атома углерода). Массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc². Так как 1 эВ = 1, 60218·10^–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938, 272331 МэВ.

Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α -частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц ( нейтронов ) с массой, примерно равной массе протона.

Рис. 2. Схема установки для обнаружения нейтронов

Заряд нейтрона равен нулю.

Масса нейтрона m_n = 1, 67493·10^–27 кг = 1, 008665 а. е. м. = 939, 56563 МэВ. Масса нейтрона незначительно превосходит массу протона.

Характеристики ядра

· Зарядовым числом Z называют число протонов, входящих в состав атомного ядра, (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд.

· Массовым числом А называют общее число нуклонов в ядре. Обозначив число нейтронов символом N, имеем

 .

Обозначение ядер: : - водород; - гелий;  - кислород и т. д.

 

Изотопами называются ядра одного и того же химического элемента (Z одинаковы), но с разными числами нейтронов (А различные).

Водород имеет три изотопа:

- протий (Z = 1, N = 0);

- дейтерий (Z = 1, N = 1);

- тритий (Z = 1, N = 2).

Изобарами называются ядра с одинаковыми массовыми числами, на разными зарядовыми числами.

Примеры изобар: - бериллий; - бор; - углерод;

 

 

48. Устойчивость атомных ядер. Энергия связи. Деление тяжелых ядер и синтез легких. Термоядерная энергия.

 

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. Плотность ядерного вещества ~10¹⁷ кг/м³. Массу ядер определяют с помощью масс-спектрометров – приборов, разделяющих пучки заряженных частиц с помощью электрических и магнитных полей. Эти измерения показывают, что масса любого ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

 

                                           (1)

 

Разность масс   называется дефектом массы.

По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc² энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E_св:

 

                     (2)

 

Пример. Энергия связи ядра гелия : m_я = 4, 00260 а. е. м.; 2m_p + 2m_n = 4, 03298 а. е. м.; Δ m = 0, 03038 а. е. м.; E_св = Δ mc² = 28, 3 МэВ. Для 1 г гелия это энергия 10¹² Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля.

Рис. 1. Удельная энергия связи ядер

Удельную энергию связи относят к одному нуклону. Для ядра гелия 7, 1 МэВ/нуклон.

В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N ока­зы­ва­ются одинаковыми ( , , ). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. Наиболее устойчивыми с энергети­ческой точки зрения являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева.

Наиболее устойчивы магические ядра с числом протонов 2(He), 8(O₂), 20(Ca), 28(Ni), 50(Sn), 82(Pb). Из них дважды магические ядра:

 

, , , , .

 

Существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях:

1) деление тяжелых ядер на более легкие ( ядерная реакция деления ) - при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0, 9 МэВ/нуклон;

2) слияние легких ядер в более тяжелые ( термоядерная реакция синтеза ) - при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон.

Синтез легких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжелых ядер.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: