Дефект массы и энергия связи ядра

 

    Ядро атома – очень стабильная система. Пороговая энергия, равная 10⁶ эВ – 10⁹ эВ, сравнима с энергией покоя нуклона.

    В соответствии с формулой Альберта Эйнштейна   энергия покоя, зависящая только от массы, может превращаться в энергию связи. При этом масса покоя нуклонов может изменяться.

    Масса покоя каждого нуклона в ядре меньше массы покоя этого же нуклона в свободном состоянии (вне ядра). Разность суммарной массы всех нуклонов в ядре и массы этого ядра называется дефектом массы:

 

 

При этом энергия связи ядра вычисляется по формуле Эйнштейна:

 

 

    Чтобы разрушить ядро, нужно затратить энергию, равную энергии связи ядра, компенсирующую эту разницу в массе.

    Все нуклоны (протоны и нейтроны) внутри ядра притягиваются друг к другу ядерными силами. Все протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга. Ядерные силы внутри ядра побеждают электрическое отталкивание протонов и тем самым обеспечивают стабильность ядер.

    Внутри ядра происходит «борьба» между ядерными силами, притягивающими нуклоны друг к другу, и силами электрического отталкивания между положительно заряженными протонами.

    Относительная стабильность ядра каждого химического элемента определяется энергией связи, приходящейся на один нуклон, .

 

    Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, довольно сложным образом зависит от массового числа А. Наиболее стабильны ядра химических элементов с массовыми числами от 60 до 80. Поэтому тяжелые ядра могут делиться на более стабильные ядра, а легкие ядра при очень высоких температурах могут объединяться в более стабильные ядра.

    Ядерная энергия, которая выделяется при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер, равна разности между большей суммарной энергией связи продуктов соответствующей реакции и меньшей энергией связи исходных ядер. Причем выделяющаяся энергия в расчете на один нуклон в случае синтеза легких ядер почти на порядок больше, чем в случае деления тяжелых.

    В качестве примера рассмотрим реакцию деления урана, возбужденного попавшим в него нейтроном.

 

 

нейтрон

 

 

 

 

 

    При делении 1 грамма урана в тепло превращается энергия в 10¹¹ Дж, такая же, как при сгорании 3 тонн угля.

 

Радиоактивность

 

    Многие ядра испускают заряженные частицы и фотоны высоких энергий. Эти процессы называются радиоактивностью.

    При испускании заряженных частиц ядра одного химического элемента превращаются в ядра другого химического элемента.

 

    Альфа – распад (  – распад).

    Одним из наиболее стабильных ядер является ядро гелия-4, называемое  - частицей. Именно  – частица способна вылететь из нестабильного ядра.

 

 

 

Частица

 

 

Ядро

 

 

    – частица()состоит из двух протонов () и двух нейтронов (). Поэтому при вылете ее из ядра заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы. Исходное ядро химического элемента X превращается в ядро другого химического элемента Y.

 

 

 

    Бэта – распад (  – распад).

    Имеются два вида β – частиц:

 – частица – это электрон (),

 – частица – это позитрон (), античастица электрона.

    Позитрон обладает той же массой покоя, что и электрон, и противоположным по знаку, т.е. положительным электрическим зарядом. Массовые числа электрона и позитрона равны нулю.

    Электронов и позитронов в ядре нет и быть не может. Поэтому β – радиоактивность является не внутриядерным, а внутринуклонным процессом.

    «Вылет» из ядра β – частиц вызван превращениями нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра атома.

    Имеются три вида β – радиоактивности:

1)  – распад, который часто называют просто  – распадом,

2)  – распад,

3) К – захват.

 

    В основе  – распада (  – распада) лежит превращение нейтрона в протон:

 

 

При этом ядро химического элемента X превращается в ядро элемента Y в соответствии с реакцией

 

 

Появившиеся при этом превращении электрон и электронное антинейтрино тут же вылетают из ядра.

 

    В основе  – распада лежит превращение протона в нейтрон:

 

 

При этом ядро химического элемента X превращается в ядро элемента Y в соответствии с реакцией

 

 

Появившиеся при этом превращении позитрон и электронное нейтрино тут же вылетают из ядра.

 

    К – захват состоит в том, что протон, находящийся внутри ядра, поглощает электрон из К – оболочки атома и превращается в нейтрон:

 

 

При этом ядро химического элемента X превращается в ядро элемента Y в соответствии с реакцией

 

 

 

    Задача.

    Сколько α – и β – распадов испытывает ядро урана , превратившись в конечном счете в стабильное ядро изотопа свинца ?

    Решение.

    Массовое число A меняется только при α – распаде, причем при каждом распаде оно уменьшается на 4 единицы. Поэтому по разности массовых чисел начального и конечного ядер можно посчитать число α – распадов:

 

 

    При каждом α – распаде зарядовое число Z уменьшается на 2 единицы. После восьми α – распадов зарядовое число будет равно

 

 

    Это число отличается от зарядового числа конечного ядра из-за β – распадов. Поэтому по разности между зарядовым числом конечного ядра и этим числом можно посчитать число β – распадов:

 

 

Фундаментальные фермионы

 

    Фундаментальными фермионами называют частицы двух разных сортов: лептоны и кварки.

    У лептонов и у кварков не обнаружена внутренняя структура, они не состоят из каких-то других частиц. Сами же лептоны и кварки являются «кирпичиками» для построения частиц вещества.

 

Семейства