Nukleóny v jadrách sú v stavoch, ktoré sa výrazne líšia od ich voľných stavov. S výnimkou obyčajného vodíkového jadra, vo všetkých jadrách sú tam aspoň dva nukleóny, medzi ktorými je špeciál jadrová silná sila – príťažlivosť, ktorá zaisťuje stabilitu jadier napriek odpudzovaniu rovnako nabitých protónov.

· Väzbová energia nukleónu v jadre je tzv fyzikálne množstvo, ktorá sa rovná práci, ktorú je potrebné vykonať na odstránenie nukleónu z jadra bez toho, aby sa mu odovzdala kinetická energia.

· Energia viazania jadra určuje množstvo tejto práce,treba urobiť,rozdeliť jadro na jeho základné nukleóny bez toho, aby sa im odovzdala kinetická energia.

Zo zákona zachovania energie vyplýva, že pri tvorbe jadra sa musí uvoľniť taká energia, ktorá sa musí vynaložiť, keď sa jadro rozdelí na jednotlivé nukleóny. Jadrová väzbová energia je rozdiel medzi energiou všetkých voľných nukleónov, ktoré tvoria jadro, a ich energiou v jadre.

Keď sa vytvorí jadro, jeho hmotnosť sa zníži: hmotnosť jadra je menšia ako súčet hmotností jeho nukleónov. Pokles hmotnosti jadra pri jeho vzniku sa vysvetľuje uvoľnením väzbovej energie. Ak W sv je množstvo energie uvoľnenej pri tvorbe jadra, potom zodpovedajúca hmotnosť

(9.2.1)

volal hromadný defekt a charakterizuje pokles celkovej hmotnosti počas tvorby jadra z jeho základných nukleónov.

Ak má jadro hmotnosť M jed vytvorený z Z protóny s hmotnosťou m p a od ( A – Z) neutróny s hmotnosťou m n, potom:

.

(9.2.2)

Namiesto hmotnosti jadra M hodnota jedu ∆ m možno vyjadriť pomocou atómovej hmotnosti M na:

,

(9.2.3)

kde mH je hmotnosť atómu vodíka. V praktickom výpočte je ∆ m hmotnosti všetkých častíc a atómov sú vyjadrené v jednotkách atómové hmotnostné jednotky (a.u.m.). Jedna atómová hmotnostná jednotka zodpovedá jednotke atómovej energie (napr.): 1 a.u.e. = 931,5016 MeV.

Hmotnostný defekt slúži ako miera jadrovej väzbovej energie:

.

(9.2.4)

Špecifická väzbová energia jadra ω sv sa nazýva väzbová energia,na nukleón:

.

(9.2.5)

Hodnota ω St je v priemere 8 MeV/nukleón. Na obr. 9.2 je znázornená závislosť špecifickej väzbovej energie od hmotnostného čísla A, ktorá charakterizuje rozdielnu silu väzby nukleónov v jadrách rôznych chemické prvky. Jadrá prvkov v strednej časti periodickej sústavy (), t.j. od do , najtrvanlivejšie.

V týchto jadrách je ω blízko 8,7 MeV/nukleón. So zvyšujúcim sa počtom nukleónov v jadre klesá špecifická väzbová energia. Jadrá atómov chemických prvkov nachádzajúcich sa na konci periodického systému (napríklad jadro uránu) majú ω St ≈ 7,6 MeV / nukleón. To vysvetľuje možnosť uvoľnenia energie počas štiepenia ťažkých jadier. V oblasti malých hmotnostných čísel sú ostré "vrcholy" špecifickej väzbovej energie. Maximá sú charakteristické pre jadrá s párnym počtom protónov a neutrónov ( , , ), minimá sú charakteristické pre jadrá s nepárnym počtom protónov a neutrónov ( , , ).

Ak má jadro najnižšiu možnú energiu, tak sa nachádza v základný energetický stav . Ak má jadro energiu, potom sa nachádza v vzrušený energetický stav . Prípad zodpovedá rozdeleniu jadra na jeho základné nukleóny. Na rozdiel od energetických hladín atómu, ktoré sú oddelené jednotkami elektrónvoltov, energetické hladiny jadra sú od seba oddelené megaelektrónvoltom (MeV). To vysvetľuje pôvod a vlastnosti gama žiarenia.

Údaje o väzbovej energii jadier a použitie kvapkového modelu jadra umožnili stanoviť určité zákonitosti v štruktúre atómové jadrá.

Kritérium stability atómových jadier je pomer medzi počtom protónov a neutrónov v stabilnom jadre pre izobarové údaje (). Podmienka minimálnej jadrovej energie vedie k nasledujúcemu vzťahu medzi Zústa a ALE:

.

(9.2.6)

Vezmite celé číslo Zústa najbližšie k ústam získaným týmto vzorcom.

Pre malé a stredné hodnoty ALE počet neutrónov a protónov v stabilných jadrách je približne rovnaký: Z ≈ ALE – Z.

S rastom Z coulombovské odpudivé sily protónov rastú proporcionálne Z·( Z – 1) ~ Z 2 (párová interakcia protónov) a na kompenzáciu tohto odpudzovania jadrovou príťažlivosťou sa musí zvýšiť počet neutrónov rýchlejšie ako číslo protóny.

Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz:

Relatívna atómová hmotnosť A chemického prvku (uvádza sa spolu so symbolom prvku a jeho poradovým číslom v každej bunke periodického systému D. I. Mendelejeva) je priemerná hodnota relatívnych izotopových hmotností, berúc do úvahy obsah izotopov. Relatívna atómová hmotnosť v skutočnosti ukazuje, koľkokrát je hmotnosť daného atómu väčšia ako hmotnosť 1/12 izotopu uhlíka. Ako každý relatívna hodnota, Ar je bezrozmerná veličina.

Na jednotku atómovej hmotnosti ( atómová hmotnostná jednotka - a.m.u.) je v súčasnosti akceptovaná ako 1/12 hmotnosti nuklidu 12 C. Tomuto nuklidu sa pripisuje hmotnosť 12 0000 amu. skutočnú hodnotu atómová hmotnostná jednotka je 1,661 10-27 kg.

Hmotnosti troch základných častíc vyjadrené v amu majú nasledujúce hodnoty:

hmotnosť protónu je 1,007277 a.m.u., hmotnosť neutrónu je 1,008665 a.m.u., hmotnosť elektrónu je 0,000548 a.m.u.

1.9.4. hromadný defekt

Ak vypočítate hmotnosť akéhokoľvek izotopu (hmotnosť izotopu) súčtom hmotností zodpovedajúceho počtu protónov, neutrónov a elektrónov, výsledok nebude presne zodpovedať experimentu. Rozpor medzi

namerané a experimentálne zistené hodnoty hmotností izotopov sa nazývajú

hromadný defekt.

Napríklad izotopová hmotnosť jedného z izotopov chlóru 35 Cl získaná sčítaním hmotností sedemnástich protónov, osemnástich neutrónov a sedemnástich elektrónov je:

17 1,007277 + 18 1,008665 + 17 0,000548 = 35,289005 amu

Presné experimentálne stanovenia tejto veličiny však dávajú výsledok 34,96885 a.m.u. Hromadná chyba je 0,32016 amu.

Vysvetlenia javu hromadného defektu možno poskytnúť pomocou myšlienok formulovaných Albertom Einsteinom v teórii relativity. Hmotnostný defekt zodpovedá energii potrebnej na prekonanie odpudivých síl medzi protónmi.

Inými slovami, hmotnostný defekt je mierou väzbovej energie jadrových častíc. Ak by bolo možné rozdeliť jadro na jeho jednotlivé nukleóny, potom by sa hmotnosť systému zvýšila o veľkosť defektu hmoty. Väzbová energia ukazuje rozdiel medzi energiou nukleónov v jadre a ich energiou vo voľnom stave, t.j. Väzbová energia je energia potrebná na oddelenie jadra na jeho základné nukleóny.

Väzbovú energiu možno vypočítať podľa vzorca A. Einsteina:

E = mc2,

kde: m je hmotnosť v kg, s je rýchlosť svetla - 2,9979 108 m/s, E je energia v J. Napríklad väzbová energia pre jeden mól (4 g) nuklidu4 He (mol.

hmotnostná chyba je 3,0378 10-5 kg) sa rovná:

∆ Е = (3,0378 10-5 kg/mol) (2,9979 108 m/s)2 = 2,730 1012 J/mol Táto energia prevyšuje energiu obyčajnej kovalentnej väzby o viac ako

10 miliónov krát. Na získanie takejto energie chemickou reakciou by bolo potrebné použiť desiatky ton hmoty.

Pretože väzbová energia je extrémne vysoká, je zvykom vyjadrovať ju v megaelektrónvoltoch (1 MeV = 9,6 1010 J/mol) na nukleón. Väzbová energia na nukleón v jadre 4 He je teda približne 7 MeV a v jadre 35 Cl je to 8,5 MeV.

1.9.5. jadrové sily

Jadro atómu je špeciálny objekt na štúdium. Dokonca aj pri povrchnom skúmaní je veľa nejasností. Prečo sa protóny, ktoré tvoria jadro, navzájom neodpudzujú podľa elementárnych zákonov elektrostatiky? Najjednoduchší výpočet pomocou Coulombovho zákona ukazuje, že pri jadrových vzdialenostiach by sa dva protóny mali odpudzovať silou asi 6000 N a priťahujú sa k sebe silou 40-krát väčšou, ako je táto hodnota. Navyše táto sila pôsobí rovnako medzi dvoma protónmi a medzi dvoma neutrónmi, ako aj medzi protónom a neutrónom, t.j. úplne nezávislé od náboja častíc.

Je zrejmé, že jadrové sily predstavujú úplne inú triedu síl; nemožno ich redukovať na elektrostatické interakcie. Energia, ktorá sprevádza jadrové reakcie, je miliónkrát väčšia ako energia, ktorá charakterizuje chemické premeny.

Aplikácia princípov kvantovej mechaniky na popis pohybu elektrónov dáva v súčasnosti veľmi uspokojivé výsledky. Dá sa táto teória použiť na modelovanie procesov prebiehajúcich v jadre atómu? Najdôležitejšia vlastnosť jadrových síl je extrémne malý polomer ich pôsobenia. Pohyb elektrónu sa skutočne vyskytuje v oblasti priestoru odhadovanej hodnotami rádovo 10-8 cm a všetky vnútrojadrové javy sa vyskytujú vo vzdialenostiach rádovo 10-12 cm a menej. Tieto hodnoty sú o niečo väčšie ako vnútorné veľkosti nukleónov. Pomer stupníc charakterizujúcich pohyb elektrónu na jednej strane a vnútrojadrových javov na strane druhej možno porovnať rádovo s rovnakým pomerom

pre makrokozmos, ktorý sa riadi zákonmi klasickej mechaniky, a mikrokozmos, ktorý žije podľa zákonov kvantovej mechaniky.

Pri tak malej veľkosti jadra je v ňom sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Keď poznáme približný objem jadra a hmotnosť atómu, je možné odhadnúť hustotu jadrovej hmoty: prevyšuje priemernú hustotu bežnej hmoty o faktor 2 1017 a dosahuje hodnotu rádovo 1013 - 1014 g/cm3. Pokus o skutočné pochopenie takýchto množstiev vedie k nasledujúcej ilustrácii: pri podobnej hustote látky musí objem hlavičky zápalky (približne 5 mm3) obsahovať hmotnosť rovná hmotnosti 1 milión ton vody. Ak by takáto hlavička zápalky spadla na povrch Zeme, prerazila by všetky skaly a prenikla by do stredu planéty.

1.9.6. Jadrové transformácie

Premeny atómových jadier v dôsledku ich interakcií s elementárnymi časticami alebo navzájom sa nazývajú jadrové reakcie.

Spontánne jadrové štiepenie prirodzená rádioaktivita- sprevádzané tromi druhmi žiarenia.

Alfa žiarenie je prúd jadier atómov hélia s nábojom +2 a hmotnostným číslom 4 (4 He). Pozitívny náboj týchto častíc vysvetľuje skutočnosť, že alfa lúče sa odchyľujú elektrické pole smerom k záporne nabitej doske a relatívne veľká veľkosť atómy hélia odôvodňujú výrazne nižšiu penetračnú silu v porovnaní s ostatnými dvoma typmi žiarenia.

Je zrejmé, že keď je takáto častica emitovaná, jadro stratí dva protóny a dva neutróny. Strata dvoch protónov znižuje atómové číslo o dve jednotky, výsledkom čoho je vznik nového chemického prvku.

Napríklad nuklid rádia-226, keď dôjde k strate častice alfa, sa zmení na nuklid radónu-222, ktorý môže byť reprezentovaný ako rovnice jadrovej reakcie:

88 Ra → 86 Rn +2 He.

Pri zostavovaní takýchto rovníc treba dodržať rovnosť súčtu atómových čísel a súčtu hmotnostných čísel na ľavej a pravej strane (musí byť zaručené zachovanie náboja a hmotnosti).

V niektorých prípadoch sa používa aj skrátená forma zápisu rovnice jadrovej reakcie: počiatočný nuklid sa píše vľavo, konečný nuklid sa píše vpravo, v zátvorkách medzi nimi je najprv uvedená častica, ktorá spôsobuje túto transformáciu. a následne vyžarované v dôsledku toho. V tomto prípade sa pre takéto častice používajú písmenové označenia: α (častica alfa), p (protón), n (neutrón), d (jadro deutéria - deuterón) atď. Napríklad pre rozpad alfa diskutovaný vyššie:

Ra (-, a) Rn.

Znamienko "-" označuje neprítomnosť bombardujúcej častice (rozpad jadra nastáva spontánne).

Beta žiarenie sa zase delí na β - (zvyčajne sa nazýva

sú jednoducho β-žiarenie) a β+ -žiarenie. β - žiarenie je prúd elektrónov pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Tieto elektróny pochádzajú z rozpadu neutrónu:

90 Th → 91 Pa + -1 e.

Nuklidy tória-234 a protaktínia-234 majú rovnaké hmotnostné čísla. Takéto nuklidy sa nazývajú izobary.

Vznik β + - žiarenia je spôsobený premenou protónu na neutrón, sprevádzaný emisiou pozitrónu - elementárnej častice, ktorá je analógom elektrónu, ale má kladný náboj:

19 K → 18 Ar ++1 e.

Gama žiarenie je ťažké elektromagnetická radiácia s kratšími vlnovými dĺžkami ako röntgen. Nevybočuje v elektrických a magnetické polia a má vysokú penetračnú schopnosť.

Emisia γ-lúčov sprevádza α- a β-rozpad, ako aj proces zachytávania elektrónov v jadre. V druhom prípade jadro zachytí elektrón z nízkej energetickej hladiny (K- alebo L-elektrón) a jeden z protónov sa zmení na neutrón:

1 p + -1 e		→ 0n.

Hmotnostné číslo nuklidu sa nemení, ale atómové číslo sa zníži o jednu, napríklad:

23 V + -1 e → 22 Ti.

Nestabilné, spontánne sa rozpadajúce nuklidy sa nazývajú ra-

dionuklidy alebo rádioaktívne izotopy . Ich rozpad pokračuje, kým sa nevytvoria stabilné izotopy. Stabilné izotopy už nepodliehajú rádioaktívnemu rozpadu, preto v prírode pretrvávajú. Príklady sú 160 a 12C.

polovičný život Nestabilný izotop sa nazýva čas, počas ktorého sa jeho rádioaktivita zníži na polovicu v porovnaní s originálom. Polčasy sa môžu pohybovať od milióntin sekundy až po milióny rokov (tabuľka 1.2).

Tabuľka 1.2

Polčasy niektorých izotopov

			Polovičný život
			3 10-7 s
			5,7 103
			4,5 109
			1,39 1010 rokov

Existuje mnoho reakcií rádioaktívneho rozpadu základné časti zložitejšie sekvenčné jadrové reakcie – tzv séria rádioaktívnych premien alebo rádioaktívne série.

Každá transformácia v takejto sérii vedie k vytvoreniu nestabilného izotopu, ktorý následne podlieha rádioaktívnemu rozpadu. Materský nuklid je tzv rodičovský izotop a výsledný dcérsky izotop. V ďalšej fáze sa dcérsky izotop stane rodičovským izotopom a zmení sa na ďalšie dieťa atď. Tento reťazec postupných premien pokračuje, kým stabilný izotop nie je výsledkom jadrovej reakcie.

Rádioaktívna séria uránu teda začína izotopom 238 U a v dôsledku štrnástich po sebe nasledujúcich reakcií jadrového rozpadu končí stabilným izotopom 206 Pb. V tomto prípade je celková strata hmotnosti 32 jednotiek.

Stabilné aj nestabilné nuklidy môžu byť produkované jadrovými reakciami bombardovaním jadier vysokoenergetickými časticami. Za-

voe umelá jadrová transformácia vykonal E. Rutherford: v roku 1915

du, prechádzajúc alfa lúčmi cez dusík, dostal stabilný izotop kyslíka 17 O. V roku 1935 Irene a Frederic Joliot-Curie dokázali, že v dôsledku bombardovania hliníka alfa časticami, rádioaktívny izotop pozitróny emitujúce fosfor. Za objav umelá rádioaktivita vedci dostali Nobelovu cenu.

Pri jadrových reakciách je jadrový cieľ bombardovaný protónmi, neutrónmi, elektrónmi, čo vedie k zmene jadrového zloženia a vzniku nového chemického prvku. Bombardujúce častice musia mať vysokú kinetickú energiu, aby prekonali elektrostatické odpudivé sily z cieľa. Preto sa častice urýchľujú na vysoké rýchlosti v špeciálnych zariadeniach nazývaných urýchľovače (existujú dva hlavné typy: lineárny urýchľovač a cyklotrón).

								Tabuľka 1.3
						Jadrové reakcie
				Kompletná rovnica				Krátka forma
	(α ,p)
		7 N +2 He			→ 8 O			14N (a,p)170
	(α ,n)
		13 Al +2 He → 15 P +0 n						27 Al(a,n)30P
		11 Na +1 H → 12 Mg +0 n						23Na(p,n)23Mg
	(p, a)
		4 Be +1 H → 3 Li +2 He						9 Be (p,α)6 Li
		7N+1H->80+y						14N (p,y)150
		15P+1H -> 15P+1H						31P (d,p)32P
		13 Al +1 H → 14 Si +0 n						27Al(d,n)28Si
		7N +0 n -> 6 C +1 H						14N(n,p)14C
		27Co +0 n→ 27Co +γ						59 Co (n,γ)60 Co
	(n, a)
		13 Al +0 n → 11 Na +2 He						27Al(n,a)24Na

Umelé jadrové premeny možno klasifikovať podľa typu častíc bombardujúcich a emitovaných v dôsledku reakcie (tabuľka 1.3.).

Pomocou jadrových reakcií boli syntetizované nové chemické prvky s atómovými číslami 99 a viac. Na tento účel sa jadrový terč bombarduje ťažkými časticami, napríklad 7 N alebo 12 C. Prvok einsteinium sa teda získal bombardovaním uránu-238 jadrami dusíka-14:

OPAKOVAŤ MATERIÁLY

Rozmery atómu: ≈ 10 -8 cm Rozmery jadra: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm

Hustota jadrovej hmoty: ≈ 1014 g/cm3

subatomárne častice

					otvorenie (dátum)
ELEKTRON	9.110 10-28				Thompson (1897)
	1.673 10-24				Rutherford (1914)
	1.675 10-24				Chadwick (1932)

kvantové čísla

		názov	Označenie	Prijatý	Čo charakterizuje
				hodnoty
					energie
		Orbitálny		0, 1, 2, ...n–1	orbitálny tvar,
					energie
					podúrovni
		Magnetické		–ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ	priestorové
					orientácia
					orbitály
		Spin		+½ , -½	vlastné
					elektrón

Elektrónové vzorce atómov

Ak chcete napísať elektronický vzorec atómu, musíte vedieť:

1. notový zápis: nℓх (n je číslo energetickej hladiny: 1,2,3,..., ℓ je písmenové označenie podúrovne: s, p, d, f; x je počet elektrónov). Príklady: 5s2 - dva elektrónov za s - podúroveň piatej energetickej hladiny (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - osem elektrónov na d-podúrovni štvrtej energetickej hladiny (n = 4, ℓ = 2).

2. Postupnosť podúrovní plniacej energie : 1 s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(každá podúroveň sa vyplní až po úplnom vybudovaní predchádzajúcej v tomto rade).

3. Maximálna kapacita podúrovní:

Príklad: Elektronický vzorec atómu chlóru je distribúcia sedemnástich elektrónov daného atómu na energetických podúrovniach a má tvar:

17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Skrátená forma písania elektronického vzorca : hľadanie elektrónov-

v plne vybudovaných energetických hladinách sú reprezentované symbolom zodpovedajúceho vzácneho plynu, za ktorým nasleduje rozloženie zostávajúcich elektrónov.

Príklad: krátky elektrónový vzorec atómu chlóru:

17Cl 3s2 3p5

Distribúcia elektrónov v kvantových bunkách

kvantové bunky

s-podúroveň

p-podúroveň

d-podúroveň

f-podúroveň

V súlade s Hundovým pravidlom: na začiatku je každému elektrónu pridelená samostatná kvantová bunka (nespárované elektróny s paralelnými spinmi), ďalšie elektróny vstupujú do už obsadených buniek, pre ktoré majú hodnoty ms opačné znamienko - spárované elektróny).

Zápis: ms = +½ ,↓ ms = -½

Príklady: 6 elektrónov zaberá kvantové bunky podúrovne f:

f-podúroveň

pre deväť elektrónov má schéma tvar:

f-podúroveň

Elektronické grafické vzorce atómov

17Cl

2p6

valenčné elektróny- elektróny vonkajšej energetickej hladiny, ako aj predposlednej d-podúrovne, ak nie je úplne vybudovaná.

Označenie nuklidov:

horný index je hmotnostné číslo nuklidu, dolný index je atómové číslo zodpovedajúceho prvku.

Príklad: izotop chlóru:

17Cl

Skratka: 36 Cl

Zloženie jadra Počet protónov je atómové číslo, poradové číslo prvku v perióde

Dikálny systém D. I. Mendelejeva; Počet neutrónov je rozdiel medzi hmotnostným číslom a počtom neutrónov

Príklad: počet protónov a neutrónov pre izotop chlóru

17 Cl je: počet protónov = 17, počet neutrónov = 36-17= 19.

Izotopy – rovnaké atómové číslo, rôzne atómové hmotnosti (jadro obsahuje rovnaký počet protónov, rôzny počet neutrónov)

Jadrové reakcie

Na ľavej a pravej strane rovnice jadrovej reakcie sa musí zachovať rovnováha medzi:

– súčty hmotnostných čísel (horné indexy),

– súčty atómových čísel (dolné indexy).

Príklad:

Skrátený tvar rovnice jadrovej reakcie:

vľavo - pôvodný nuklid,

vpravo je konečný nuklid,

v zátvorkách medzi nimi: častica spôsobujúca danú premenu, potom častica, ktorá je jej výsledkom emitovaná.

Označenia písmen:α (častica alfa), p (protón), n (neutrón), d (jadro deutéria - deuterón) atď.

Príklad: 23 Na (p,n) 23 Mg pre reakciu

11 Na +1 H → 12 Mg +0 n

Štúdie ukazujú, že atómové jadrá sú stabilné útvary. To znamená, že medzi nukleónmi v jadre existuje určité spojenie.

Hmotnosť jadier sa dá veľmi presne určiť pomocou hmotnostných spektrometrov - meracích prístrojov, ktoré oddeľujú zväzky nabitých častíc (zvyčajne iónov) s rôznym špecifickým nábojom pomocou elektrických a magnetických polí. Q/m Ukázali to hmotnostné spektrometrické merania hmotnosť jadra je menšia ako súčet hmotností nukleónov, ktoré ho tvoria. Ale keďže akákoľvek zmena hmotnosti musí zodpovedať zmene energie, musí sa v dôsledku toho pri tvorbe jadra uvoľniť určitá energia. Zo zákona zachovania energie vyplýva aj opak: na rozdelenie jadra na jednotlivé časti je potrebné vynaložiť rovnaké množstvo energie, aké sa uvoľní pri jeho vzniku. Energia potrebná na rozdelenie jadra na jednotlivé nukleóny sa nazýva jadrová väzbová energia.

Podľa výrazu (40.9) väzbová energia nukleónov v jadre

kde t p , t n , t ja - hmotnosti protónu, neutrónu a jadra. Tabuľky väčšinou nedávajú omše. t jadrá a hmoty t atómov. Preto sa pre väzbovú energiu jadra používa vzorec

kde m H je hmotnosť atómu vodíka. Pretože m h viac m p podľa sumy ja, potom prvý výraz v hranatých zátvorkách zahŕňa hmotnosť Z elektróny. Ale keďže hmotnosť atómu t odlišná od hmotnosti jadra t Som len vo veľkom Z elektrónov, potom výpočty podľa vzorcov (252.1) a (252.2) vedú k rovnakým výsledkom.

Hodnota

volal hromadný defekt jadier. Hmotnosť všetkých nukleónov sa o túto hodnotu zníži, keď sa z nich vytvorí atómové jadro.

Často sa namiesto väzbovej energie uvažuje špecifická väzbová energia d E St. - väzbová energia na nukleón. Charakterizuje stabilitu (pevnosť) atómových jadier, teda čím viac d E St. , čím je jadro stabilnejšie. Špecifická väzbová energia závisí od hmotnostného čísla ALE prvok (obr. 342). Pre ľahké jadrá ( ALE£ 12) sa špecifická väzbová energia prudko zvýši až na 6-7 MeV, pričom prejde niekoľkými skokmi (napríklad pre H d E cv = 1,1 MeV, pre He - 7,1 MeV, pre Li - 5,3 MeV), potom sa pomalšie zvyšuje na maximálnu hodnotu 8,7 MeV pre prvky s ALE\u003d 50¸ 60 a potom postupne klesá pre ťažké prvky (napríklad pre U je to 7,6 MeV). Pre porovnanie si všimnite, že väzbová energia valenčných elektrónov v atómoch je asi 10 eV (10 6-krát menej).

Pokles špecifickej väzbovej energie pri prechode na ťažké prvky sa vysvetľuje tým, že s nárastom počtu protónov v jadre rastie aj ich energia. Coulombov odpor. Preto sa väzba medzi nukleónmi stáva menej silná a samotné jadrá sú menej silné.

Najstabilnejšie sú tzv magické jadrá, v ktorých sa počet protónov alebo počet neutrónov rovná jednému z magických čísel: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. dvakrát magické jadrá, v ktorom je magický počet protónov aj počet neutrónov (týchto jadier je len päť: He, O, Ca, Ca, Pb).

Z obr. 342 vyplýva, že z energetického hľadiska sú najstabilnejšie jadrá strednej časti periodickej tabuľky. Ťažké a ľahké jadrá sú menej stabilné. To znamená, že nasledujúce procesy sú energeticky priaznivé: 1) štiepenie ťažkých jadier na ľahšie; 2) fúzia ľahkých jadier medzi sebou na ťažšie. Oba procesy uvoľňujú obrovské množstvo energie; tieto procesy sa v súčasnosti vykonávajú prakticky: štiepne reakcie a termonukleárne reakcie.

Zloženie jadra atómu

V roku 1932 po objavení protónu a neutrónu vedcami D.D. Ivanenko (ZSSR) a W. Heisenberg (Nemecko). protón-neutrónModelatómové jadro.
Podľa tohto modelu sa jadro skladá z protóny a neutróny. Celkový počet nukleónov (t.j. protónov a neutrónov) sa nazýva hromadné číslo A: A = Z + N . Jadrá chemických prvkov sú označené symbolom:
X je chemická značka prvku.

Napríklad vodík

Na charakterizáciu atómových jadier sa zavádza množstvo označení. Počet protónov, ktoré tvoria jadro atómu, je označený symbolom Z a zavolajte číslo poplatku (toto je poradové číslo v periodickej tabuľke Mendelejeva). Jadrový náboj je Ze , kde e je elementárny náboj. Počet neutrónov je označený symbolom N .

jadrové sily

Aby boli atómové jadrá stabilné, musia byť protóny a neutróny držané vo vnútri jadier obrovskými silami, mnohonásobne väčšími ako Coulombove odpudivé sily protónov. Sily, ktoré držia nukleóny v jadre, sa nazývajú jadrové . Sú prejavom najintenzívnejšieho zo všetkých typov interakcie známych vo fyzike – takzvanej silnej interakcie. Jadrové sily sú asi 100-krát väčšie ako elektrostatické sily a sú o desiatky rádov väčšie ako sily gravitačnej interakcie nukleónov.

Jadrové sily majú tieto vlastnosti:

• majú príťažlivé sily
• sú sily krátkeho dosahu(objavujú sa v malých vzdialenostiach medzi nukleónmi);
• jadrové sily nezávisia od prítomnosti alebo neprítomnosti elektrického náboja na časticiach.

Hromadný defekt a väzbová energia jadra atómu

Najdôležitejšiu úlohu v jadrovej fyzike zohráva koncept jadrová väzbová energia .

Väzbová energia jadra sa rovná minimálnej energii, ktorú treba vynaložiť na úplné rozdelenie jadra na jednotlivé častice. Zo zákona zachovania energie vyplýva, že väzbová energia sa rovná energii, ktorá sa uvoľní pri tvorbe jadra z jednotlivých častíc.

Väzbovú energiu akéhokoľvek jadra možno určiť presným meraním jeho hmotnosti. V súčasnosti sa fyzici naučili s veľmi vysokou presnosťou merať hmotnosti častíc – elektrónov, protónov, neutrónov, jadier atď. Tieto merania to ukazujú hmotnosť akéhokoľvek jadra M i je vždy menšie ako súčet hmotností protónov a neutrónov, ktoré ho tvoria:

Hmotnostný rozdiel je tzv hromadný defekt. Na základe hromadného defektu pomocou Einsteinovho vzorca E = mc 2 je možné určiť energiu uvoľnenú pri tvorbe daného jadra, t.j. väzbovú energiu jadra E St:

Táto energia sa uvoľňuje pri tvorbe jadra vo forme žiarenia γ-kvant.

Jadrová energia

U nás bola prvá jadrová elektráreň na svete postavená a spustená v roku 1954 v ZSSR, v meste Obninsk. Rozvíja sa výstavba výkonných jadrových elektrární. V Rusku je v súčasnosti v prevádzke 10 jadrových elektrární. Po havárii v jadrovej elektrárni v Černobyle boli prijaté dodatočné opatrenia na zaistenie bezpečnosti jadrových reaktorov.

Nukleóny v atómovom jadre sú navzájom spojené jadrovými silami; preto na rozdelenie jadra na jeho jednotlivé protóny a neutróny je potrebné vynaložiť veľa energie. Táto energia sa nazýva väzbová energia jadra.

Rovnaké množstvo energie sa uvoľní, keď sa voľné protóny a neutróny spoja a vytvoria jadro. Preto podľa Einsteinovej špeciálnej teórie relativity musí byť hmotnosť atómového jadra menšia ako súčet hmotností voľných protónov a neutrónov, z ktorých vzniklo. Tento rozdiel hmotnosti Δm, zodpovedajúci energii základné komunikácieEsv je určené Einsteinovým vzťahom:

Eb = с 2 Δm. (37,1)

Väzbová energia atómových jadier je taká vysoká, že tento hmotnostný rozdiel je celkom prístupný priamemu meraniu. Pomocou hmotnostných spektrografov sa takýto hmotnostný rozdiel skutočne našiel pre všetky atómové jadrá.

Rozdiel medzi súčtom pokojových hmotností voľných protónov a neutrónov, z ktorých je vytvorené jadro, a hmotnosti jadra sa nazýva hmotnostný defekt jadra. Väzbová energia sa zvyčajne vyjadruje v megaelektrónvoltoch (MeV) (1 MeV=106 eV). Keďže jednotka atómovej hmotnosti (am.m.u.) je 1,66 * 10 -27 kg, môžete určiť energiu, ktorá jej zodpovedá:

E \u003d mc 2, E amu \u003d 1,66 * 10 -27 * 9 * 10 16 J,

E amu = (1,66 * 10-27 * 9 * 1016 J) / (1,6 * 10-13 J / MeV) = 931,4 MeV.

Väzbovú energiu možno merať priamo z energetickej bilancie v reakcii jadrového štiepenia. Väzbová energia deuterónu bola teda prvýkrát určená pri jeho štiepení γ-kvantami. Avšak zo vzorca (37.1) väzbová energia môže byť určiť oveľa presnejšie, keďže pomocou hmotnostného spektrografu hmotnosti izotopov možno merať s presnosťou 10 -4%.

Vypočítajme napríklad väzbovú energiu jadra hélia 4 2 He (α-častice). Jeho hmotnosť v atómových jednotkách je M (4 2 He) = 4,001523; hmotnosť protónu mr=1,007276, hmotnosť neutrónu mn=1,008665. Preto hromadný defekt jadra hélia

Δm \u003d 2 / mp + 2 mn - M (4 2 He),

Δm \u003d 2 * 1,007276 + 2 * 1,008665-4,001523 \u003d 0,030359.

Násobenie podľaE a.u.m = 931,4 MeV, dostaneme

Eb = 0,030359 * 931,4 MeV ≈ 28,3 MeV.

Pomocou hmotnostného spektrografu sa zmerali hmotnosti všetkých izotopov a určil sa hmotnostný defekt a väzbová energia jadier. Väzbové energie jadier niektorých izotopov sú uvedené v tabuľke. 37.1. Pomocou takýchto tabuliek sa vykonávajú energetické výpočty jadrových reakcií.

Ak je celková hmotnosť jadier a častíc vytvorených pri akejkoľvek jadrovej reakcii menšia ako celková hmotnosť počiatočných jadier a častíc, potom sa pri takejto reakcii uvoľní energia zodpovedajúca tomuto poklesu hmotnosti. Kedy celkový počet protóny a celkový počet neutrónov sa zachová, pokles celkovej hmotnosti znamená, že v dôsledku reakcie sa zväčší celkový hmotnostný defekt a v nových jadrách sú nukleóny ešte silnejšie na seba naviazané ako v pôvodných jadrách. Uvoľnená energia sa rovná rozdielu medzi celkovou väzbovou energiou vytvorených jadier a celkovou väzbovou energiou pôvodných jadier a možno ju zistiť pomocou tabuľky bez výpočtu zmeny celkovej hmotnosti. Táto energia môže byť uvoľnená do životné prostredie vo forme kinetickej energie jadier a častíc alebo vo forme γ-kvant. Príkladom reakcie sprevádzanej uvoľnením energie je akákoľvek spontánna reakcia.

Urobme energetický výpočet jadrovej reakcie premeny rádia na radón:

226 88 Ra → 222 86 Rn + 4 2 He.

Väzbová energia pôvodného jadra je 1731,6 MeV (tabuľka 37.1) a celková väzbová energia vytvorených jadier je 1708,2 + 28,3 = 1736,5 MeV a je o 4,9 MeV väčšia ako väzbová energia pôvodného jadra.

Pri tejto reakcii sa následne uvoľní energia 4,9 MeV, čo je hlavne kinetická energia α-častice.

Ak sa v dôsledku reakcie vytvoria jadrá a častice, ktorých celková hmotnosť je väčšia ako hmotnosť počiatočných jadier a častíc, potom takáto reakcia môže prebiehať len s absorpciou energie zodpovedajúcej tomuto nárastu hmotnosti a bude nikdy nevzniknú spontánne. Množstvo absorbovanej energie sa rovná rozdielu medzi celkovou väzbovou energiou počiatočných jadier a celkovou väzbovou energiou jadier vytvorených pri reakcii. Týmto spôsobom je možné vypočítať, akú kinetickú energiu musí mať častica alebo iné jadro pri zrážke s cieľovým jadrom, aby prebehla takáto reakcia, alebo vypočítať požadovanú hodnotu γ-kvanta na štiepenie. jadra.

Minimálna hodnota γ-kvanta potrebná na rozdelenie deuterónu sa teda rovná väzbovej energii deuterónu 2,2 MeV, pretože v tejto reakcii:

21H + y -> 11H + 0 n1

vzniká voľný protón a neutrón (Eb = 0).

Dobrá zhoda tohto druhu teoretických výpočtov s výsledkami experimentov ukazuje správnosť vyššie uvedeného vysvetlenia poruchy hmotnosti atómových jadier a potvrdzuje princíp stanovený teóriou relativity, úmernosť hmotnosti a energie.

Treba poznamenať, že reakcie dochádza k premene elementárnych častíc (napríklad β-rozpadu), sú sprevádzané aj uvoľňovaním alebo absorpcia energie zodpovedajúcej zmene celkovej hmotnosti častíc.

Dôležitou charakteristikou jadra je priemerná väzbová energia jadra na nukleón, Eb/A (tabuľka 37.1). Čím je väčšia, tým silnejšie sú nukleóny prepojené, tým silnejšie je jadro. Z tabuľky. 37.1 ukazuje, že pre väčšinu jadier je hodnota Eb/A približne 8 MeV na nukleón a klesá pre veľmi ľahké a ťažké jadrá. Medzi ľahkými jadrami vyniká jadro hélia.

Závislosť hodnoty Eb/A od hmotnostného čísla jadra A je znázornená na obr. 37.12. V ľahkých jadrách sa veľká časť nukleónov nachádza na povrchu jadra, kde nevyužívajú naplno svoje väzby a hodnota Eb/A je malá. Keď sa hmotnosť jadra zvyšuje, pomer povrchu k objemu klesá a podiel nukleónov nachádzajúcich sa na povrchu klesá.. Preto Eb/A rastie. So zvyšujúcim sa počtom nukleónov v jadre sa však zvyšujú Coulombove odpudivé sily medzi protónmi, čím sa oslabujú väzby v jadre a hodnota Eb/A pre ťažké jadrá klesá. Hodnota Eb/A je teda maximálna pre jadrá strednej hmotnosti (pri A = 50-60), preto sa vyznačujú najväčšou pevnosťou.

Z toho vyplýva dôležitý záver. Pri reakciách štiepenia ťažkých jadier na dve stredné jadrá, ako aj pri syntéze stredného alebo ľahkého jadra z dvoch ľahších jadier sa získajú jadrá, ktoré sú silnejšie ako pôvodné (s väčšou hodnotou Eb/A) . To znamená, že pri takýchto reakciách sa uvoľňuje energia. To je základ pre získanie atómovej energie pri štiepení ťažkých jadier a termonukleárnej energie – pri fúzii jadier.