Теория:
Частицы, из которых состоит ядро атома (протоны и нейтроны), называются нуклонами.
Согласно нуклонной модели строения атомного ядра, в очень маленьком объёме должно находиться несколько положительно заряженных протонов. Следовательно протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причём очень большими. Такие силы были названы ядерными силами.
О них говорят «богатырь с короткими руками, то есть эти силы действуют только на малых расстояниях (порядка \(10-15\) м) и примерно в \(100\) раз превосходят электромагнитные взаимодействия. Взаимодействие между протонами и нейтронами одинаковое, поэтому протон и нейтрон можно рассматривать как одну и ту же частицу — нуклон — в разных состояниях.
В \(1935\) году японский физик Юкава доказал, что природа ядерных сил может быть описана процессом обмена какими-то частицами между нуклонами. Эти частицы назвали пи-мезонами (или пионами). В \(1947\) году их обнаружили экспериментально, и было доказано, что масса заряженного пи-мезона \(274me\), в то время как масса нейтрального — \(264me\).
Дефект массы ядра
Опытным путём было доказано, что масса ядра оказывается меньше, чем масса протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Разница между этими массами называется дефектом массы ядра.
Дефект массы ядра () — это разница между суммарной массой свободных нуклонов, из которых состоит ядро, и массой ядра.
.
Почему же масса нуклонов, связанных ядерными силами в ядро, оказывается меньше массы этих же нуклонов в свободном состоянии? Оказывается, что масса и энергия взаимосвязаны.
Всякое тело массой \(m\) обладает энергией, которая называется энергией покоя ().
, где \(c\) — скорость света в вакууме.
Впервые соотношение между энергией и массой вывел Альберт Эйнштейн, поэтому это выражение и получило название «уравнение Эйнштейна».
Энергия связи
Уменьшение энергии покоя нуклонов в ядре вызвано наличием ядерных сил, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре. Работа, которую необходимо совершить для разрыва ядерных сил и разъединения нуклонов, равна энергии, которая связывает нуклоны вместе. Эта энергия называется энергией связи () ядра.
Энергия связи и дефект массы ядра связаны между собой уравнением Эйнштейна:
Удельной энергией связи ядра называют энергию связи, приходящуюся на \(1\) нуклон:
.
Удельная энергия равна средней энергии, необходимой для отрыва \(1\) нуклона от ядра.
Вычисления показали, что наибольшей удельной энергией связи обладают элементы, находящиеся в центре Периодической системы химических элементов. С увеличением порядкового номера начинает уменьшаться удельная энергия связи. Именно поэтому ядра элементов с порядковым номером больше \(83\) являются радиоактивными. Благодаря небольшой удельной энергии связи они способны самопроизвольно распадаться.
Единицы измерения энергии
В ядерной физике принято измерять энергию в мегаэлектронвольтах (\(1\) МэВ):
\(1\) МэВ \(=\) эВ Дж.
Для вычисления энергии связи удобно пользоваться переводным коэффициентом для массы и энергии.
Дефекту массы в \(1\) а.е.м. соответствует энергия, равная:
кг м/с Дж МэВ.
Обрати внимание!
Для выражения изменения энергии системы в мегаэлектронвольтах нужно
изменение массы системы в атомных единицах массы умножить на переводной коэффициент \(931,5\) МэВ/а.е.м.
изменение массы системы в атомных единицах массы умножить на переводной коэффициент \(931,5\) МэВ/а.е.м.
\(1\) а.е.м. \(= 931,5\) МэВ.