|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Что характеризует прочность ядер? Ядерные силы - самые мощные из всех, которые мы знаем на сегодняшний день. Они не только почти полностью подавляют взаимную антипатию протонов, что на таких малых расстояниях довольно значительная, но и связывают их в исключительно крепкую семью. Чем же характеризовать прочность ядер? Для этого физики пользуются одним универсальным понятием, пригодным для любых тел, молекул, атомов и ядер, энергией связи. О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или сложно разрушить его: чем сложнее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро - это значит разорвать связи между нуклонами или, другими словами, выполнить работу против сил связи между ними. Ø Энергию связи определяет величина той работы, которую нужно выполнить для расщепления ядра на составляющие его - нуклоны. Значение энергии связи ядра очень сложно вычислить теоретически, однако здесь на помощь приходит открытое Эйнштейном соотношение между массой и энергией: Ø тело массой m, находящегося в покое, имеет энергию Е = mс2, где с - скорость света. Если энергия тела изменяется на ΔЕ, то масса этого тела изменяется на 2. Дефект масс Измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра Мя меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов:
Разница О том, насколько велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и во время сгорания 1,5-2 вагонов каменного угля. 3. Удельная энергия связи Чем больше протонов в ядре, т.е. чем больше заряд Ze ядра, тем сильнее кулоновское отталкивание между протонами. Поэтому, чтобы они не разлетались под действием кулоновских сил, для стабилизации ядра требуется большее число нейтронов. Для характеристики прочности ядер обычно берут энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Ø Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. При малых Z число нейтронов N = Z, а при больших Z (в ядрах тяжелых элементов) даже значительное число нейтронов в ядре (N ≈ 1,6Z) уже не может препятствовать его распаду. Последним стабильным ядром, которое имеет максимальное число протонов, является свинец (Z = 82). 4. Реакции синтеза Удельная энергия связи была измерена экспериментально практически для всех ядер. Из графика зависимости удельной энергии связи от массового числа ядра следует, что ядро Гелия 42Не является особенно стабильным: оно характеризуется значительно большей удельной энергией связи, чем более легкие ядра изотопов Водорода Дейтерия 21Н и Трития 31Н (они содержат, соответственно, 2 и 3 нейтроны). Отсюда следует, что образование ядер Гелия из ядер изотопов Водорода, например, во время выполнения реакции Ø Образование ядра из менее массивных ядер называется реакцией синтеза. Описана реакция синтеза становится возможным, когда ядра дейтерия и трития сближаются на очень малое расстояние - такое, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Но поскольку ядра заряжены одноименно, между ними действует сила электрического отталкивания. Чтобы преодолеть действие этой силы, ядра, сталкиваются, должны иметь значительную кинетическую энергию, а это означает, что для осуществления реакции синтеза необходима очень высокая температура - десятки миллионов градусов. Поэтому ядерные реакции синтеза часто называют термоядерными. 5. Реакции деления Из графика зависимости удельной энергии связи видно, что наиболее стабильными являются ядра с массовыми числами от 50 до 60, поскольку для этих ядер энергия связи максимальна. Это ядра железа и близких к нему (массовым числом) ядер. Ø Расщепления ядра на менее массивные ядра называется реакцией деления. Следовательно, расщепление (деление) тяжелых ядер, когда продуктами реакции являются ядра элементов середины таблицы Менделеева, является энергетически выгодным: при этом выделяется энергия. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Как охарактеризовать прочность ядер? 2. Как зависит прочность ядер атомов от их энергии связи? 3. Почему ядро Купруму устойчиво, а ядро Урана неустойчивое? 4. Приведите пример реакции синтеза. Приведите пример реакции деления. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Почему энергия связи атома Водорода 11Н равен нулю? Решение Ядро атома Водорода состоит из одного протона. 2. Почему удельная энергия связи в тяжелых ядрах убывает с увеличением массового числа? 2). Учимся решать задачи 1. Определите дефект масс и энергию связи ядра атома 23592U. Решение Дефект масс ядра определяем по формуле:
В таблицах масс изотопов приводятся значения масс нейтральных атомов, а не массы ядер. Поэтому эту формулу целесообразно преобразовать так, чтобы вместо массы данного ядра Мn в нее входила масса соответствующего нейтрального атома Ма. Поскольку M =Ma - Zme, то ΔM = Zmp + Nmn - (Ma - Zme), или ΔM = Z(mp + me) + Nmn - Ma. Но mг + mэ = m11Н. Итак, окончательно получаем ΔM = (Zm11Н + Nmn) - Мa. Из таблицы берем следующие данные: m11Н = 1,00783 а. е. м., mn = 1,00866 а. е. м., Мa = 235,04394 а. е. м. Подставляя в последнюю формулу числовые значения масс в а. е. м., получаем: ΔM = 92·1,00783 + 143·1,00866 - 235,04394 = 1,9148 (а. е. м.). Если мы хотим получить энергию связи в джоулях, то дефект масс нужно выразить в килограммах. Учитывая то, что 1 а. е. м. = 1,66057·10-27 кг, получаем:
Подставляя это значение дефекта масс в формулу ΔЕ0 = Δmс2, получаем:
Выделяется или поглощается энергия при такой ядерной реакции
· Энергию связи определяет величина той работы, которую нужно выполнить для расщепления ядра на составляющие его - нуклоны. · Тело массой т, находящееся в состоянии покоя, имеет энергию Е = mс2, где с - скорость света. · Разница ΔM = Zmp + Nmn - Мa называется дефектом масс. · Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. · Образование ядра из менее массивных ядер называется реакцией синтеза. · Расщепление ядра на менее массивные ядра называется реакцией деления. Домашнее задание 1. Подр.: § 31 (п. 2). 2. 3б.: № 17.54; 17.55; 17.56; 17.59.
|
|
называется дефектом масс. Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Если ΔЕсв - энергия связи ядра, что выделяется при его образовании, то соответствующая ей масса 
характеризует уменьшение суммарной массы всех нуклонов при образовании ядра. Итак: 
является энергетически очень выгодным, то есть при этом выделяется большая энергия.
