61. Ядерні реакції ділення і синтезу. Дефект мас. Енергія зв’язку нуклонів.

елементів, Астон помітив, що складним атомам властивий систематичний дефект маси, тобто маса їхніх ядер дещо менша від суми мас складових частинок. Саме цю різницю в масах називають дефектом маси ядра.

Для прикладу обчислимо дефект маси ядра атома гелію. Беручи до уваги, що маси ядра гелію, протона і нейтрона відповідно дорівнюють:m_He = 6,644-10^-27 кг , m_p = 1,672-10^-27 кг, m_n = 1,675-10^-27 кг , знайдемо дефект маси ядра за виразом Dm = (2m_р + 2m_n) - m_He = 0,050 -10^-27 кг

Енергія зв’язку нуклонів. За законом взаємозв’язку маси і енергії дефект маси Dm , що виникає при утворенні ядра, є ознакою того, що при утворенні ядра вивільняється певна енергія системи. Ця енергія є мірою міцності ядра, її називають енергією зв’язку атомного ядра. Таку енергію необхідно було б надати, щоб ядро поділилося на окремі нуклони.

Енергія зв’язку дорівнює роботі, яку виконують ядерні сили взаємодій між нуклонами при утворенні ядра Завдяки цій роботі відбувається зближення нуклонів і часткове перетворення їхньої потенціальної енергії в кінетичну енергію частинок та енергію g -випромінюванняЗауважимо, що енергія зв’язку нуклонів у ядрі гелію в мільйони разів перевищує енергію зв’язку валентних електронів в атомах, де вона становить 1-10 еВ. Надзвичайно великі значення енергії зв’язку атомних ядер свідчать про існування надзвичайно великих ядерних сил взаємодій між нуклонами в межах ядра.

Важливим є той факт, що енергія зв’язку, розрахована на один нуклон у будь-якому ядрі, приблизно однакова, близько 8 МеВ

У 1939 p. німецькі фізики О. Ган і Ф. Штрассман, опромінюючи нейтронами уран, виявили в продуктах реакції елемент з середньої частини таблиці Менделєєва - барій. При повторенні цих дослідів Ірен Жоліо-Кюрі і П. Савич виявили в продуктах реакції лантан. Аналізуючи ці відкриття, німецькі вчені Л. Мейтнер і О. Фріш дійшли висновку, що ядро урану має порівняно незначну стійкість і може після захоплення нейтрона ділитися на два ядра-осколки приблизно однакового розміру. Оскільки у них відношення числа нейтронів до числа протонів дуже велике, ці осколки повинні бути нестійкими і давати ряди b - розпадів.

Пізніші дослідження підтвердили, що ядро урану під дією нейтрона ділиться на дві частинки, відношення мас яких можуть бути дуже різними; всіх їх близько 80. Проте найбільш ймовірним є поділ ядер урану на осколки, маси яких відносяться як 2:3.

Важливим результатом поділу важких ядер є вивільнення величезної внутрішньоядерної енергії. Річ у тім, що енергія зв’язку важких ядер, в розрахунку на нуклон, порівняно з енергією зв’язку середніх ядер менша приблизно на 1 МеВ на нуклон. Тому при поділі, наприклад, ядра урану на два ядра середніх елементів системи Менделєєва має вивільнятися енергія близько 200 МеВ. Завдяки цій енергії осколки поділу розлітаються з величезними швидкостями; істотну роль при цьому відіграють кулонівські сили відштовхування позитивно заряджених осколків. Безпосередньо енергія осколків вимірювалася за їхньою іонізацією та калориметричним методом; її значення відповідали теоретичним розрахункам. Зауважимо, що ця енергія приблизно в мільйон разів більша від енергії, що виділяється при хімічних реакціях згоряння звичайного палива.

З аналізу реакцій поділу було зроблено нове дуже важливе припущення: при кожному поділі ядра урану можна чекати вилучення двох- трьох нейтронів. Справді, якщо припустити, що ядро урану-235 при поділі дає осколки з масами 95 і 140, і що в такому самому співвідношенні перебувають їхні атомні номери, то ці осколки повинні бути ізотопами