Энергия связи
Количество энергии, удерживающей нуклоны в ядре, может быть вычислено. Изучая таблицы масс изотопов, можно увидеть, что масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, образующих ядро. Например, масса нейтрона в а.е.м. 1,0089, масса протона 1,0081; масса двух нейтронов и двух протонов 4,0340. В то же время масса ядра атома гелия, состоящего из двух нейтронов и двух протонов равна 4,0038. Разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра равна 0,0302 а.е.м. и называется дефектом массы ядра гелия. Это означает, что в ядре гелия исчезает часть массы составляющих его четырех нуклонов. Одним из важнейших выводов теории относительности Эйнштейна является принцип эквивалентности массы и энергии, выражаемый соотношением:
Е =m·с2. (1.12)
Если положим m = 1 а.е.м., то Е = 931,14 МэВ. Недостающая масса в ядре гелия составляет примерно 0,03 а.е.м.. что эквивалентно энергии, равной приблизительно 28 МэВ, которая называется энергией связи ядра гелия, то есть это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разъединить нуклоны ядра. Так как ядро гелия содержит четыре нуклона, то средняя энергия связи на один нуклон составляет приблизительно 7 МэВ, то есть это величина, которая получается при делении энергии связи ядра на массовое число А. Подобные расчеты можно сделать для каждого ядра, в результате чего получим графическую зависимость средней энергии связи на один нуклон от массового числа, изображенную на рис. 1.3. Энергия связи на один нуклон достигает максимума при А = 56, т. е. в случае ядра железа, разделяющего все ядра на легкие и тяжелые. Из графика видно, что для легких ядер, чем больше массовое число, тем выше энергия связи на нуклон. Отсюда следуют два способа выделения энергии в результате ядерной реакции, которые называются делением и синтезом.
Рис. 1.3. Зависимость средней энергии связи от массового числа
Энергию, выделяемую при делении легко вычислить, используя график энергии связи на один нуклон (рис. 1.3). Для элементов вблизи урана (А = 235) средняя энергия связи равна приблизительно 7,6 МэВ. Если уран делится на два равных ядра с массовыми числами А около 119, то средняя энергия связи на нуклон здесь будет больше (около 8,5 МэВ). Таким образом, энергия выделяемая на один нуклон в процессе деления ядра урана равна 0,9 МэВ (8,5 - 7,6 = 0,9). Тогда полная энергия, выделяемая на один атом урана равна:
0,9МэВ·235 = 212МэВ. (1.13)
Большая часть этой энергии уйдет в кинетическую энергию движения осколков деления и превратится в тепловую.
ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Урановая руда добывалась в месторождениях между Чехословакией и Германией с 1500 года и использовалась для получения оранжевого цвета при производстве посуды, причем уран использовался для этих целей буквально до последнего времени. Блестящая оранжевая посуда и предметы сервизов, изготовленные несколько десятков лет тому назад, при измерении счетчиком Гейгера "светят" десятки мР/час. В 1896 году Анри Беккерель открыл, что эта руда может засвечивать фотопластинки в темном помещении. Работая в Париже с несколькими тоннами этой руды Мария и Пьер Кюри установили, что излучение испускают не только соли урана, но и соли тория. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а элементы, испускающие это излучение, — радиоактивными. При попытке получить уран в чистом виде ученые открыли два новых элемента — полоний и радий, при этом был сделан важный вывод, что радиоактивность — свойство атомов радиоактивного элемента. Эрнест Резерфорд, изучая природу радиоактивного излучения радия, открыл, что оно состоит из трех типов различных излучений, которые назвал так:
альфа — отклоняется в магнитном поле, положительный заряд;
бета — отклоняется в магнитном поле, отрицательный заряд;
гамма — магнитное поле не влияет, заряд отсутствует;