5.3.2 Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Видеоурок: Строение атомного ядра. Ядерные силы

Лекция: Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Предположим, что в ядре некоторого элемента содержится два протона (например, это гелий). Давайте определим, как относятся силы гравитационного взаимодействия к кулоновским силам. В формулах нам важно знать массу и величину заряда протона, а, как известно, это постоянные величины.

Судя из данных расчетов, электрические силы отталкивания во много раз больше гравитационных сил. А это значит, что существуют другие силы, позволяющие удерживать ядро целостным. Эти силы называются ядерными.

Ядерные силы

До этого момента нами были изучены два вида сил: гравитационные и электромагнитные. Существует другое взаимодействие, которое называется сильным. Именно оно присутствует в ядре.

Свойства ядерных сил:

1. Данные силы имеются между всеми нуклонами в ядре (нейтронами и протонами).

2. Данные силы в 10² раз больше, чем электромагнитные. Не существует иных сил, которые превосходили бы ядерные силы.

3. Ядерные силы действуют на расстоянии не более 10^-15м.  Если расстояние увеличить, то силы гаснут, если же уменьшить, то они способствуют отталкиванию частиц.

Атомная единица массы

Достаточно неудобно рассчитывать ядерные массы в килограммах, поскольку масса любого ядра очень маленькая. Именно поэтому в качестве измерения массы ввели новую единицу, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.). Именно данная величина указана в таблице Менделеева.

Точное значение а.е.м было принято за 1/12 величину массы углерода и оно равно:

Итак, всем нам известно, что любое покоящееся тело имеет энергию, которую можно рассчитать по формуле Е = mc². Для упрощения счета некоторых величин, перемножим величину скорости света на 1 а.е.м. Энергия 1 а.е.м любого тела равна:

Чтобы не получать постоянно такие малые величины энергии, в ядерной физике используют другие единицы измерения, а именно электрон-вольты:

А это значит, что энергия 1 а.е.м. равна:

Для известных нам частиц можно так же рассчитать постоянное значение энергии:

Дефект масс. Энергия связи

Существует огромное количество таблиц, в которых можно определить точное значение массы того или иного изотопа. Но Вы можете спросить, зачем они нужны, ведь можно просто взять и сложить массы всех частиц ядра и получить конечное его значение. До некоторого времени так и делали, пока не стало известно, что сумма масс всех нуклонов не совпадает с массой ядра. Масса ядра всегда меньше, чем сумма масс всех нуклонов. Разность этих масс называется дефектом масс.

Дефект масс находится по формуле:

Обратите внимание, в данной формуле М - это масса ядра. Однако, в таблице Менделеева и других таблицах указана масса всего атома. Поэтому из известного значения следует вычесть массу всех имеющихся электроном.

Например, давайте рассмотрим ядро Гелия и найдем для него дефект масс. Для начала найдем значение массы атома гелия и вычтем из нее массы двух имеющихся электронов:

Далее найдем массу всех нуклонов гелия:

В результате получим величину дефекта масс:

Разность энергий в таком случае находится следующим образом:

Данная разность называется энергией связи. Она определяется работой, которую прикладывают к ядру для расщепления его на составные единицы (нуклоны).

Удельная энергия связи

Насколько прочное ядро характеризует удельная энергия связи. Эта величина показывает, какую работу следует приложить для отщепления одного нуклона из ядра. Находится данная величина по формуле:

Измеряется она в МэВ на нуклон.

На графике можно наблюдать зависимость величины удельной энергии от количества нуклонов в ядре:

Чем легче ядра и больше количество нуклонов, тем больше удельная энергия. Однако для тяжелых ядер данная зависимость является обратной.