Повторим и вспомним:

  • - строение атомного ядра;
  • - что такое ядерные силы.

Мы узнаем:

  • - что такое дефект массы;
  • - что такое энергия связи;
  • - в каких реакциях возможно получение энергии.

Вы знаете, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые связаны между собой в ядре ядерными силами. Можно предположить, что масса каждого ядра должна быть равна сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Проверим это предположение.

Сложив масс протонов и нейтронов, мы получим, что масса ядра гелия равна 4,032а.е.м. Однако экспериментально было обнаружено, что масса ядра гелия равна 4,0026а.е.м. Другими словами, масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность между суммой масс отдельных нуклонов и массой ядра называют дефектом масс.

Дефект массы ядра гелия равен 0,0294а.е.м.

Для того чтобы разбить ядро на отдельные, не взаимодействующие между собой нуклоны, необходимо произвести работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру энергию. Из закона сохранения энергии следует, что эта энергия равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы, называется энергией связи ядра.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью формулы Эйнштейна, которая устанавливает взаимосвязь между массой и энергией.

Вычислим энергию связи ядра гелия. Это огромная величина. Образование всего 1г гелия сопровождается энергией порядка 1012Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля.

Устойчивость ядер характеризует физическая величина, называемая энергией связи. Она равна энергии связи, которая приходится только на одну ядерную частицу (протон или нейтрон).

По графику зависимости удельной энергии связи от массового числа элементов можно заметить, что для лёгких ядер энергия связи очень мала. Удельная энергия связи имеет наибольшее значение для ядер атомов, расположенных в средней части периодической системы элементов с массовыми числами от 28 до 138. С дальнейшим ростом массового числа энергия связи убывает.

Ядерные силы действуют только очень малых расстояниях. Поэтому в тяжёлых ядрах, которые имеют большие размеры, радиус действия кулоновских сил сопоставим с размерами ядра. В результате сила отталкивания двух протонов, расположенных в противоположных сторонах ядра, оказывается больше, чем ядерные силы. Такое ядро менее прочное. Поэтому энергетически выгодно, чтобы тяжёлое ядро разделилось на ядра с большей энергией связи.

Удельная энергия связи лёгких ядер меньше. При малых размерах ядра каждая частица (протон или нейтрон) притягивается всеми остальными и сама притягивает к себе все остальные частицы. Ядро становится более прочным образованием.

В обоих этих образованиях выделяется огромное количество энергии. Это означает, что существуют возможности получения ядерной энергии в ядерных реакциях.

Оценим энергия, которая выделяется при делении ядра урана на два одинаковых ядра с массовыми числами 119. У этих ядер удельная энергия связи порядка 1,36✕10-12Дж/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана 1,22✕10-12Дж/нуклон.

Следовательно, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,14✕10-12Дж/нуклон. Это более 3,4✕10-11Дж энергии на один атом урана.

Кроме реакции деления, огромная энергия выделяется и в реакциях синтеза (слияния) лёгких ядер. Такие реакции происходят в недрах Солнца и других звёздах, ядра которых состоят из водорода. Рассмотрим, за счёт каких реакций синтеза поддерживается светимость Солнца.

Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжёлых ядер. Подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому их называют термоядерными.

Узнать ещё больше интересного и проверить свои знания вы можете перейдя в проект Физика.