Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

Дефект маси, енергія зв'язку. Ядерні реакції

Під енергією зв'язку атомного ядра розуміють енергію, необхідну для повного розчеплення ядра на нуклони без надання їм кінетичної енергії. Енергію зв'язку ядра характеризує величина ?m, яку називають дефектом маси.

Під дефектом маси розуміють різницю між сумою мас протонів і нейтронів, які перебувають у вільному стані, і масою утвореного з них ядра. Якщо ядро з масою М_Я утворене із Z протонів і масою m_p кожний із (А-Z) нейтронів з масою m_nкожний, то:

?m - дефект маси ядра визначає енергію зв'язку частинок у ядрі.

У ядерній фізиці для обчислення енергії застосовують атомну одиницю енергії (а.о.е.) - величину, яка відповідає енергії однієї атомної одиниці маси:

1 а.о.е.=с²·1а.о.м. = 9·10¹⁶ · 1,67·10^-27=1,5·10^-10Дж = 931,44МеВ

Отже,

Питома енергія зв'язку - енергія, яка припадає на один кулон:

Найбільшу енергію зв'язку (близько 8,7МеВ на один кулон) мають елементи з номерами від 50 до 60, тому ядра цих елементів найстійкіші.

Велика питома енергія зв'язку свідчить про те, що в ядрах діють специфічні сили притягання, які називаються ядерними силами. Ядерні сили мають ряд характерних властивостей:

1. вони є силами притягання;

2. це короткодіючі сили, їх дія проявляється на відстані порядку 10^-15м (радіус дії ядерних сил);

3. ядерні сили мають властивість зарядової незалежності: ядерні сили, які діють між протоном і нейтроном, між двома протонами або між двома нейтронами, однакові;

4. ядерні сили є нецентральними, як наприклад, сили гравітаційні і кулонівські;

5. ядерні сили мають властивість насичення. Кожен кулон взаємодіє не з усіма нуклонами ядра, а тільки з обмеженим числом найближчих до нього нуклонів.

Ядерні реакції - це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками, з ? - квантами або між собою. Ядерні реакції записують у вигляді рівняння:

де С^* - проміжне ядро у збудженому стані.

За механізмом взаємодії ядерні реакції можна поділити на два види:

1) прямі ядерні реакції;

2) реакції з утворенням проміжного ядра.

Ядерні реакції звичайно мають два етапи: 1) бомбардуюча частинка проникає в ядро - мішень і утворюється проміжне ядро, 2) у середині проміжного ядра нуклони переґруповуються, «зайві» частинки і надлишкова енергія викидаються, і утворюється нове ядро.

Такі перетворення відбуваються за 10^-14 - 10^-15 с. Символічно такі етапи можна записати так:

Q = 2, 8 МеВ

Таку реакцію вперше здійснив у 1919р. Резерфорд 

Всі ядерні реакції характеризуються енергією, яка виділяється або поглинається в процесі їх перебігу. Реакції, що супроводжуються виділенням енергії, називаються екзотермічними, а поглинанням енергії - ендотермічними.

Енергетичний вихід ядерної реакції:

,

де ?m - різниця між сумарною масою частинок і ядер, які вступають в реакцію, та продуктів реакції. Під час бомбардування ядер важких елементів (А>100) нейтронами відбувається поділ ядер, при цьому випромінюються ? - промені, а також вилітає кілька нейтронів (2 або 3). Нейтрони, які вилітають, у свою чергу можуть викликати поділ нових ядер. В результаті виникає ланцюгова реакція. Для цього необхідно, щоб коефіцієнт розмноження нейтронів К був не менший одиниці. Такі реакції відбуваються в ядерному реакторі.

Ядерна енергія може вивільнятись не тільки при поділі важких ядер, а й при їх злитті (синтезі) легких ядер у важкі. Приклад термоядерної реакції - синтез гелію із дейтерію і тритію:

При цьому виділяється 3,5 МеВ на нуклон.

Такі реакції протікають при дуже високих температурах - 10⁸ К, бо для початку взаємодії ядер атоми мають наблизитись на відстані дії ядерних сил.

Створити такі високі температури зараз можливо тільки на короткий час, використовуючи ядерний вибух (воднева або термоядерна бомба), випромінювання потужного імпульсного лазера, надвисокі електричні струми.

Проблема керованої термоядерної реакції полягає у створенні умов, за яких енергія, що виділяється при синтезі, має не розсіюватися, а витрачатися на підтримання температури середовища, у якому відбувається реакція. Речовина при таких температурах перебуває у стані високотемпературної плазми і не повинна контактувати із стінками установки. Одним з методів досягнення потрібних умов утримання плазми є утворення всередині установки магнітного поля спеціальної конфігурації.

Вирішення проблеми керованої термоядерної реакції може дати людству нове джерело енергії.