Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер

Ядерная физика

Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер

План урока

  • Ядерные силы
  • Энергия связи атомного ядра

Цели урока

  • Знать: понятие ядерных сил; понятие дефекта масс; физический смысл и формулу для расчета энергии связи атомного ядра; физический смысл и формулу для расчета удельной энергии связи
  • Уметь: перечислять основные свойства ядерных сил; находить дефект масс; рассчитывать энергию связи ядра; переводить джоули (Дж) в мегаэлектронвольты (МэВ) и наоборот

Разминка

  • Какие частицы содержатся в ядре атома?
  • Какие силы действуют между нуклонами в ядре?
  • Почему ядро атома не распадается на отдельные частицы?

Ядерные силы

 

Вам уже известно, что в ядре атома находятся электрически нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Одноименно заряженные протоны отталкиваются друг от друга под действием кулоновских сил, но ядро остается целостным, следовательно, в ядре существуют силы, компенсирующие силы отталкивания. Эти силы называются ядерными.


Ядерные силы – это силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре атома.


Ядерные силы не относятся ни к гравитационному, ни к электромагнитному взаимодействию заряженных частиц, это силы совершенно иной природы. Они относятся к так называемому сильному взаимодействию.
 

Ядерные силы – это силы взаимного притяжения нуклонов в ядре. Ядерные силы проявляются на расстояниях порядка 10-15 м. Если порядок расстояний между частицами увеличится, силы ядерного взаимодействия будут настолько малы по сравнению с кулоновскими силами, что ими можно будет пренебречь. Таким образом, в отличие от гравитационных и электромагнитных взаимодействий, сильные взаимодействия являются короткодействующими.
 

Между протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном, протоном и протоном действуют одинаковые по величине ядерные силы. Следовательно, данный вид сил не зависит от зарядов взаимодействующих частиц.
 

Каждый нуклон в ядре вступает в сильное взаимодействие с определенным количеством ближайших к нему нуклонов. Это свойство ядерных сил получило название свойство насыщения.

 

Энергия связи атомного ядра

 

Для того чтобы разделить атомное ядро на составляющие его отдельные нуклоны, необходимо совершить работу против ядерных сил, удерживающих протоны и нейтроны вместе. Иначе говоря, необходимо сообщить ядру определенное количество энергии.


Энергия связи атомного ядра – это минимальная энергия, которую нужно сообщить ядру атома, чтобы преодолеть ядерные силы и разделить его на отдельные нуклоны.


Выведем формулу для расчета энергии связи.

 

Экспериментально установлено, что масса ядра Mя всегда меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов:
 

Mя<Z·mp+N·mn.
 

Величину, равную разности масс протонов и нейтронов и массы ядра, называют дефектом масс M:
 

M=Z·mp+N·mn-Mя.
 

Дефект масс всегда является величиной положительной.


Дефект масс M – это разность между суммарной массой всех нуклонов в свободном состоянии и массой ядра: M=Z·mp+N·mn-Mя.


Любая система обладает энергией, даже находясь в состоянии покоя. Эта энергия получила название энергии покоя E0. Альберт Эйнштейн (1879-1955) вывел формулу энергии покоя, согласно которой величина энергии покоя пропорциональна массе покоя m0:
 

E0=m0·c2,
 

где c – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.


Энергия покоя E0 – это энергия, которой обладает вся система в такой инерциальной системе отсчета, в которой центр масс этой системы покоится: E0=m0·c2.


При образовании ядра из отдельных частиц энергия системы уменьшается на величину, равную энергии связи:
 

Eсв=M·c2=(Z·mp+N·mn-Mя)·c2.


Энергия связи атомного ядра Eсв пропорциональна дефекту масс: Eсв=M·c2=(Z·mp+N·mn-Mя)·c2.


Проанализируем выражение выше. Чтобы отдельные частицы объединились в ядро, необходимо сблизить их настолько, чтобы начали действовать ядерные силы. В этот момент величина ядерных сил окажется больше электрических сил отталкивания и протоны начнут притягиваться друг к другу, двигаясь с некоторым ускорением. Так как при ускоренном движении заряженные частицы излучают электромагнитные волны, протоны будут терять часть энергии, уносимой электромагнитными волнами, величина этой энергии будет равна энергии связи. При этом масса ядра уменьшится на величину, равную дефекту масс:
 

M=Eсвc2.
 

Для оценки энергии, приходящейся на один нуклон, вводится специальная физическая величина – удельная энергия связи Eуд, равная:
 

Eуд=EсвA,
 

где Eсв – энергия связи;
A – количество нуклонов.


Удельная энергия связи Eуд равна энергии связи, приходящейся в среднем на один нуклон ядра.
 

Для расчета удельной энергии необходимо энергию связи ядра разделить на количество нуклонов: Eуд=EсвA.


Иначе говоря, удельная энергия связи показывает, какую энергию необходимо сообщить каждому нуклону ядра, чтобы оно распалось на отдельные частицы.

 

В ядерной физике энергию связи принято измерять в мегаэлектронвольтах (МэВ):


1 эВ = 1, 6 ∙10-19 Кл ∙ 1 В = 1,6 ∙ 10-19 Дж.
 

1 МэВ = 106 эВ = 1,6 ∙ 10-13 Дж.


1 МэВ – это энергия, которую приобретает электрон при прохождении напряжения в 1 МВ.


Энергия 1 а.е.м. равна:

E=m·c2.
 

Учтем, что 1 а.е.м. = 1,66 ∙ 10-27 кг, тогда:
 

E=1,66·10-27·9·1016=931,5 МэВ.
 

Таким образом, формула для расчета удельной энергии связи в МэВ/нуклон имеет следующий вид:
 

Eуд=EсвA=931,5·(Z·mp+N·mn-Mя)A.

 

Рис. 1. График зависимости удельной энергии связи атомного ядра от количества нуклонов Рис. 1. График зависимости удельной энергии связи атомного ядра от количества нуклонов

На рисунке 1 показан график зависимости удельной энергии связи атомного ядра от количества нуклонов.


Из приведенного графика видно, что удельная энергия связи ядер средней массы больше удельной энергии связи легких и тяжелых ядер. Следовательно, наиболее стабильными являются ядра средней массы. Энергетически возможными являются два процесса: деление тяжелых ядер на несколько более легких и синтез (слияние) легких ядер в одно тяжелое ядро.

Итоги

 

  • Ядерные силы – это силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре атома;
  • Дефект масс M  – это разность между суммарной массой всех нуклонов в свободном состоянии и массой ядра: M=Z·mp+N·mn-Mя;
  • Энергия покоя E0  –  это энергия, которой обладает вся система в такой инерциальной системе отсчета, в которой центр масс этой системы покоится: E0=m0·c2;
  • Энергия связи атомного ядра – это минимальная энергия, которую нужно сообщить ядру атома, чтобы преодолеть ядерные силы и разделить его на отдельные нуклоны: Eсв=M·c2=(Z·mp+N·mn-Mя)·c2;
  • Удельная энергия связи Eуд  равна энергии связи, приходящейся в среднем на один нуклон ядра;
  • Для расчета удельной энергии необходимо энергию связи ядра разделить на количество нуклонов: Eуд=EсвA.
  • Взаимосвязь единиц измерения: 1 а.е.м.=1,66·1027 кг1 МэВ=1,6·10-13 Дж.


Пример 1


Масса ядра изотопа гелия He 24 равна 4,00260 а.е.м. Определите дефект масс, энергию связи и удельную энергию связи ядер этого изотопа.


Решение
 

1.  Определим строение ядра изотопа гелия He 24:

 

Z=2A=4N=A-Z=2.

 

2. Запишем значения масс протона и нейтрона в а.е.м.

 

mp=1,00728 а.е.м. mn=1,00867 а.е.м.

 

3. Рассчитаем дефект масс гелия He 24:

 

MHe 24=Zmp+Nmn-mяHe 24=2mp+2mn-mяHe 240,029 а.е.м.

 

4. Перейдём к расчёту энергии связи:

 

EсвHe 24=MHe 24c2=27 МэВ.

 

Или, учитывая, что 1 МэВ=1,6·10-13 Дж, получаем EсвHe 24=4,32·10-12 Дж.

 

5. Окончательно для удельной энергии связи

 

EудHe 24=EсвA=274=6,75МэВнуклон1,1·10-12Джнуклон.


 

Ответ: MHe 240,029 а.е.м.EсвHe 24=27 МэВEудHe 24=6,75МэВнуклон.


Упражнение 1
 

1. Масса ядра изотопа лития Li 36 равна 6,01513 а.е.м. Определите дефект масс, энергию связи и удельную энергию связи ядер этого изотопа.


Контрольные вопросы

 

1. Какие силы называют ядерными?

2. Что такое нуклон?

3. Что такое дефект масс, и как он рассчитывается?

4. Какую энергию называют энергией связи ядра?

5. Как определяется удельная энергия связи нуклонов в ядре?


Ответы

Упражнение 1


1. MLi 360,033 а.е.м.EсвLi 3630 МэВEудLi 36=5МэВнуклон.


Следующий урок
Строение атомного ядра. Зарядовое и массовое числа
Ядерная физика
  • Изменения в повседневной жизни

    История

  • Гидролиз солей

    Химия

  • Строение атомного ядра. Зарядовое и массовое числа

    Физика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке