Энергия связи атомного ядра

Существование дефекта масс атомного ядра означает, что для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию, которая называется энергией связи ядра и определяется как

Е_св = Δmс².

E_св = Δmc² = (Zm_p + Nm_n – M_я)c².

Эта энергия затрачивается на совершение работы против ядерных сил притяжения между нуклонами.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

Устойчивые и неустойчивые ядра

Вычисленный для ядра гелия дефект масс соответствует энергии связи 28,2 МэВ; он значительно выше среднего. Следовательно, ядро атома гелия (α-частица) – это устойчивая частица, которая при ядерных реакциях ведет себя как целое.

Примером частицы с низкой энергией связи является ядро дейтерия - изотопа водорода . Дефект масс ядра дейтерия составляет 0,00238 а.е.м. Соответствующая энергия связи равна 2,21 МэВ – в 15 раз меньше энергии связи ядра гелия. Поэтому дейтерий – неустойчивое ядро, которое при ядерных реакциях распадается..

Еще менее устойчиво ядро трития – изотопа водорода . Энергия связи трития меньше, чем у ядра дейтерия. Поэтому, образовавшись в результате ядерных реакций, тритий быстро распадается и в свободном состоянии в природе практически не встречается.

Удельная энергия связи

На практике удобно иметь дело с удельной энергией связи нуклонов в ядре, равной отношению энергии связи ядра Е_св к массовому числу А. На рисунке показана зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа. Наиболее устойчивыми являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева; максимальной энергией связи обладает ядро изотопа железа (8,8 МэВ на нуклон). С увеличением массового числа энергия связи постепенно убывает и снижается до 7,6 МэВ на нуклон у изотопа урана . Ядра тяжелых атомов обладают низкой удельной энергией связи и поэтому неустойчивы.

Радиоактивность

Ядра нестабильных изотопов химических элементов превращаются в ядра стабильных изотопов. Этот процесс может происходить двумя способами:

1. В результате α – или β - радиоактивного распада ядер

2. В результате реакций ядерного деления

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра изотопов других элементов

При α – распаде ядра происходит самопроизвольное деление атомного ядра на альфа – частицу и новое ядро – продукт реакции. Зарядовое число Z продукта распада оказывается на две единицы меньше исходного, а массовое число A – на четыре. Примером альфа – радиоактивного изотопа может служить изотоп урана – 238. Для этого изотопа продуктом реакции является ядро тория:

→ +

При записи реакции альфа - распада урана учтено действие общих для всех ядерных реакций законов сохранения массового и зарядового числа:

1. Общее число нуклонов (массовое число) исходных частиц равно массовому числу продуктов реакции. В приведенной реакции 238=234+4.

2. Общее число протонов (зарядовое число) исходных частиц равно зарядовому числу продуктов реакции: 92=90+2.

Явление электронного бета – распада представляет собой самопроизвольное превращения атомного ядра с испусканием электронов. Бета – радиоактивен, например, изотоп тория, полученный при альфа – распаде урана-238. В результате реакции бета – распада торий превращается в протоактиний :

→ +

Возникает вопрос: а откуда же в ядре электроны? Дело в том, что нуклоны способны к взаимным превращениям, и в результате одного из таких превращений образуются электроны.

→ +

Оба вида радиоактивного распада могут сопровождаться гамма – излучением – жестким электромагнитным излучением с очень малой длиной волны и высокой проникающей способностью.

При реакциях самопроизвольного распада атомных ядер вещество испускает альфа-частицы, электроны и гамма - излучение.