نیروهای هسته ای نقصی در جرم هسته های اتم هستند. ترکیب هسته یک اتم. نیروهای هسته ای نقص جرمی و انرژی اتصال هسته اتم. واکنش های هسته ای انرژی هسته ای

هسته اتمی. نقص انبوه انرژی اتصال هسته اتم

هسته اتم بخش مرکزی اتم است که تمام بار مثبت و تقریباً تمام جرم در آن متمرکز شده است.

هسته تمام اتم ها از ذراتی به نام نوکلئون هانوکلئون ها می توانند در دو حالت باشند - یک حالت باردار الکتریکی و یک حالت خنثی. یک نوکلئون در حالت باردار پروتون نامیده می شود. پروتون (p) هسته سبک ترین عنصر شیمیایی - هیدروژن است. بار پروتون برابر با بار مثبت اولیه است که از نظر قدر برابر با بار منفی اولیه q e = 1.6 ∙ 10 -19 C. است، یعنی. بار الکترون نوکلئون در حالت خنثی (بدون بار) نوترون (n) نامیده می شود. توده های نوکلئون در هر دو حالت تفاوت کمی با یکدیگر دارند، یعنی. m n ≈ m p .

نوکلئون ها ذرات بنیادی نیستند. آنها ساختار داخلی پیچیده ای دارند و از ذرات حتی کوچکتر ماده - کوارک ها - تشکیل شده اند.

مشخصات اصلی هسته اتم بار، جرم، اسپین و گشتاور مغناطیسی است.

شارژ اصلیبا تعداد پروتون های (z) موجود در هسته تعیین می شود. بار هسته ای (zq) برای عناصر شیمیایی مختلف متفاوت است. عدد z را عدد اتمی یا عدد بار می نامند. عدد اتمی، شماره سریال یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی عناصر دی. مندلیف است. بار هسته نیز تعداد الکترون های اتم را تعیین می کند. تعداد الکترون‌ها در یک اتم، توزیع آن‌ها را بر روی پوسته‌های انرژی و زیر پوسته‌ها و در نتیجه، تمام خواص فیزیکوشیمیایی اتم را تعیین می‌کند. بار هسته ویژگی یک عنصر شیمیایی معین را تعیین می کند.

توده هستهجرم هسته با تعداد (A) نوکلئون های تشکیل دهنده هسته تعیین می شود. به تعداد نوکلئون های یک هسته (A) عدد جرمی می گویند. اگر تعداد پروتون ها (z) از تعداد کل نوکلئون ها (A) کم شود، یعنی N=F-z، تعداد نوترون ها (N) در هسته را می توان یافت. در جدول تناوبی، تا وسط آن، تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها تقریباً یکسان است، یعنی. (A-z)/z= 1، تا انتهای جدول (A-z)/z= 1.6.

هسته اتم ها معمولاً به صورت زیر تعیین می شوند:

X - نماد یک عنصر شیمیایی؛

Z - عدد اتمی؛

الف – عدد جرمی

هنگام اندازه گیری جرم هسته های مواد ساده، مشخص شد که بیشتر عناصر شیمیایی از گروه هایی از اتم ها تشکیل شده اند. با داشتن بار یکسان، هسته های گروه های مختلف از نظر جرم متفاوت هستند. انواع اتم های یک عنصر شیمیایی معین، که در جرم هسته ای متفاوت بودند، نامیده شدند ایزوتوپ ها. هسته های ایزوتوپی تعداد پروتون های یکسانی دارند، اما تعداد نوترون های متفاوتی دارند (و;،،،،،،،،، .

علاوه بر هسته های ایزوتوپی (z - یکسان، A - متفاوت)، هسته هایی نیز وجود دارد ایزوبارها(z - متفاوت، A - یکسان). (و).

جرم نوکلئون‌ها، هسته‌های اتمی، اتم‌ها، الکترون‌ها و سایر ذرات در فیزیک هسته‌ای معمولاً نه بر حسب KG، بلکه بر حسب واحد جرم اتمی (amu) اندازه‌گیری می‌شوند. واحد جرم اتمی (1e) برابر با 1/12 جرم اتم کربن 1e=1.6603 ∙ 10-27 کیلوگرم در نظر گرفته می شود.

جرم های نوکلئون: m p -1.00728 e، m n = 1.00867 e.

می بینیم که جرم هسته بیان شده در "e" به صورت عددی نزدیک به A نوشته می شود.

اسپین هسته ایتکانه زاویه ای مکانیکی (اسپین) هسته برابر است با مجموع برداری اسپین های نوکلئون های تشکیل دهنده هسته. اسپین پروتون و نوترون برابر با L = 1/2ћ ± است. بر این اساس، اسپین هسته هایی با تعداد نوکلئون زوج (A زوج است) یک عدد صحیح یا صفر است. اسپین هسته ای با تعداد فرد نوکلئون (A فرد) نیم عدد صحیح است.

گشتاور مغناطیسی هستهگشتاور مغناطیسی هسته (P m i) هسته در مقایسه با گشتاور مغناطیسی الکترون هایی که لایه های الکترونی اتم را پر می کنند بسیار کم است. گشتاور مغناطیسی هسته بر خواص مغناطیسی اتم تأثیر نمی گذارد. واحد اندازه گیری گشتاور مغناطیسی هسته ها مگنتون هسته ای μ i = 5.05.38 ∙ 10 -27 J/T است. این 1836 برابر کمتر از گشتاور مغناطیسی الکترون است - مگنتون بور μ B = 0.927 ∙ 10 -23 J/T.

گشتاور مغناطیسی پروتون 2.793 μi است و موازی با اسپین پروتون است. گشتاور مغناطیسی نوترون 1.914 μi است و ضد موازی با اسپین نوترون است. گشتاورهای مغناطیسی هسته ها از مرتبه مگنتون هسته ای هستند.

برای تقسیم یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن، مقدار مشخصی کار باید انجام شود. مقدار این کار معیاری از انرژی اتصال هسته است.

انرژی اتصال یک هسته از نظر عددی برابر است با کاری که باید انجام شود تا یک هسته به نوکلئون های سازنده آن تقسیم شود بدون اینکه انرژی جنبشی به آنها منتقل شود.

در طی فرآیند معکوس تشکیل هسته، همان انرژی باید از نوکلئون های سازنده آزاد شود. این از قانون بقای انرژی ناشی می شود. بنابراین، انرژی اتصال هسته برابر است با تفاوت بین انرژی نوکلئون های سازنده هسته و انرژی هسته:

ΔE = E nuk – E i. (1)

با در نظر گرفتن رابطه بین جرم و انرژی (E = m ∙ c 2) و ترکیب هسته، معادله (1) را به صورت زیر بازنویسی می کنیم:

ΔE = ∙ s 2 (2)

اندازه

Δm = zm p +(A-z)m n – M i، (3)

تفاوت بین جرم نوکلئون های تشکیل دهنده هسته و جرم خود هسته را نقص جرم می گویند.

عبارت (2) را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد:

ΔE = Δm ∙ s 2 (4)

آن ها نقص جرمی معیاری از انرژی اتصال هسته است.

در فیزیک هسته ای، جرم نوکلئون ها و هسته ها با آمو اندازه گیری می شود. (1 amu = 1.6603 ∙ 10 27 kg) و انرژی معمولاً بر حسب MeV اندازه گیری می شود.

با توجه به اینکه 1 MeV = 10 6 eV = 1.6021 ∙ 10 -13 J، مقدار انرژی مربوط به واحد جرم اتمی را پیدا می کنیم.

ساعت 1 بامداد ∙ s 2 = 1.6603 ∙10 -27 ∙9 ∙10 16 = 14.9427 ∙ 10 -11 J = 931.48 MeV

بنابراین، انرژی اتصال هسته ای در MeV برابر است با

نور ΔE = Δm ∙931.48 MeV (5)

با توجه به اینکه جداول برای محاسبه عملی عیب جرم معمولاً به جای فرمول (3) نه جرم هسته ها، بلکه جرم اتم ها را نشان می دهند.

دیگری استفاده کنید

Δm = zm Н +(A-z)m n – M а، (6)

یعنی جرم پروتون با جرم یک اتم هیدروژن سبک جایگزین شد و در نتیجه جرم الکترون z اضافه شد و جرم هسته با جرم اتم M a جایگزین شد و در نتیجه این جرم های الکترون z کم شد.

انرژی اتصال در هر نوکلئون در هسته، انرژی اتصال ویژه نامیده می شود

(7)

وابستگی انرژی اتصال ویژه به تعداد نوکلئون های هسته (به جرم عدد A) در شکل 1 نشان داده شده است.

سخنرانی 18.عناصر فیزیک هسته اتم

طرح کلی سخنرانی

هسته اتمی. نقص انبوه، انرژی اتصال هسته ای.

تشعشعات رادیواکتیو و انواع آن قانون واپاشی رادیواکتیو

قوانین حفاظت برای واپاشی های رادیواکتیو و واکنش های هسته ای

1-هسته اتمی نقص انبوه، انرژی اتصال هسته ای.

ترکیب هسته اتم

فیزیک هسته ای- علم ساختار، خواص و تبدیل هسته های اتم. در سال 1911، ای. رادرفورد در آزمایش‌هایی بر روی پراکندگی ذرات α در حین عبور از ماده مشخص کرد که یک اتم خنثی از یک هسته فشرده با بار مثبت و یک ابر الکترونی منفی تشکیل شده است. دبلیو هایزنبرگ و دی. ایواننکو (به طور مستقل) این فرضیه را مطرح کرد که هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است.

هسته اتمی- بخش توده ای مرکزی اتم، متشکل از پروتون و نوترون که مجموعاً به آنها می گویند. نوکلئون ها. تقریباً کل جرم اتم در هسته متمرکز شده است (بیش از 99.95٪). ابعاد هسته ها به ترتیب 10 -13 - 10 -12 سانتی متر است و به تعداد نوکلئون های هسته بستگی دارد. چگالی ماده هسته ای برای هر دو هسته سبک و سنگین تقریباً یکسان است و حدود 10 17 کیلوگرم بر متر مکعب است، یعنی. وزن 1 سانتی متر از ماده هسته ای 100 میلیون تن است.

پروتون (نماد p) - یک ذره بنیادی، هسته اتم هیدروژن. یک پروتون دارای بار مثبتی برابر با بار یک الکترون است. جرم پروتون m p = 1.6726 10 -27 kg = 1836 m e، که m e جرم الکترون است.

در فیزیک هسته ای مرسوم است که جرم ها را در واحدهای جرم اتمی بیان می کنند:

1 آمو = 1.65976 10 -27 کیلوگرم.

بنابراین، جرم پروتون، که در amu بیان می شود، برابر است

m p = 1.0075957 a.m.u.

تعداد پروتون های هسته نامیده می شود شماره شارژ Z. برابر است با عدد اتمی یک عنصر معین و بنابراین، مکان عنصر را در جدول تناوبی عناصر مندلیف تعیین می کند.

نوترون (نماد n) ذره ای بنیادی است که بار الکتریکی ندارد و جرم آن کمی بیشتر از جرم پروتون است.

جرم نوترون m n = 1.675 10 -27 کیلوگرم = 1.008982 amu تعداد نوترون های هسته N نشان داده می شود.

تعداد کل پروتون ها و نوترون های هسته (تعداد نوکلئون ها) نامیده می شود عدد جرمیو با حرف A مشخص می شود،

برای تعیین هسته ها از نماد استفاده می شود که X نماد شیمیایی عنصر است.

ایزوتوپ ها- انواع اتم های یک عنصر شیمیایی که هسته های اتمی آن ها تعداد پروتون های یکسان (Z) و تعداد نوترون های متفاوت (N) دارند. به هسته چنین اتمی ایزوتوپ نیز می گویند. ایزوتوپ ها در جدول تناوبی عناصر همان مکان را اشغال می کنند. به عنوان مثال، ایزوتوپ های هیدروژن را ارائه می دهیم:

مفهوم نیروهای هسته ای

هسته اتم ها سازندهای بسیار قوی هستند، علیرغم این واقعیت که پروتون های باردار مشابه، که در فواصل بسیار کمی در هسته اتم قرار دارند، باید یکدیگر را با نیروی عظیم دفع کنند. در نتیجه، نیروهای جاذبه بسیار قوی بین نوکلئون ها در داخل هسته عمل می کنند که چندین برابر بیشتر از نیروهای دافعه الکتریکی بین پروتون ها است. نیروهای هسته ای نوع خاصی از نیروها هستند.

تحقیقات نشان داده است که نیروهای هسته ای دارای ویژگی های زیر هستند:

نیروهای جاذبه هسته ای بین هر نوکلئونی، صرف نظر از حالت بار آنها، عمل می کنند.

نیروهای جاذبه هسته ای کوتاه برد هستند: آنها بین هر دو نوکلئون در فاصله بین مراکز ذرات در حدود 2·10-15 متر عمل می کنند و با افزایش فاصله به شدت کاهش می یابند (در فواصل بیشتر از 3·10-15 متر عملاً برابر با صفر)؛

نیروهای هسته ای با اشباع مشخص می شوند، یعنی. هر نوکلئون فقط می تواند با نوکلئون های نزدیک ترین هسته به خود تعامل داشته باشد.

نیروهای هسته ای مرکزی نیستند، یعنی. آنها در امتداد خطی که مراکز نوکلئون های برهم کنش را به هم متصل می کند عمل نمی کنند.

در حال حاضر، ماهیت نیروهای هسته ای به طور کامل درک نشده است. مشخص شده که به اصطلاح نیروهای مبادله ای هستند. نیروهای مبادله ماهیت کوانتومی دارند و در فیزیک کلاسیک مشابهی ندارند. نوکلئون ها توسط یک ذره سوم به یکدیگر متصل می شوند که دائماً آنها را مبادله می کنند. در سال 1935، فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa نشان داد که نوکلئون ها ذراتی را مبادله می کنند که جرم آنها تقریباً 250 برابر بیشتر از جرم یک الکترون است. ذرات پیش بینی شده در سال 1947 توسط دانشمند انگلیسی اس. پاول در حین مطالعه پرتوهای کیهانی کشف شد و متعاقباً -مزون یا پیون نامیده شد.

دگرگونی های متقابل نوترون و پروتون توسط آزمایش های مختلف تایید شده است.

نقص در توده های هسته اتم. انرژی اتصال هسته اتم

نوکلئون‌های هسته اتم توسط نیروهای هسته‌ای به هم متصل هستند، بنابراین برای تقسیم هسته به پروتون‌ها و نوترون‌های مجزای آن، باید انرژی زیادی صرف کرد.

حداقل انرژی لازم برای جداسازی یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن را می گویند انرژی اتصال هسته ای. اگر نوترون ها و پروتون های آزاد با هم ترکیب شوند و یک هسته تشکیل دهند، همان مقدار انرژی آزاد می شود.

اندازه‌گیری‌های دقیق طیف‌سنجی جرمی جرم‌های هسته‌ای نشان داده‌اند که جرم استراحت یک هسته اتمی کمتر از مجموع جرم‌های باقی مانده نوترون‌ها و پروتون‌های آزاد است که هسته از آن‌ها تشکیل شده است. تفاوت بین مجموع جرم های باقی مانده نوکلئون های آزاد که هسته از آنها تشکیل شده و جرم هسته نامیده می شود. نقص انبوه:

این اختلاف جرم m مربوط به انرژی اتصال هسته است E St.، با رابطه انیشتین تعیین می شود:

یا با جایگزینی عبارت  متر، ما گرفتیم:

انرژی اتصال معمولاً بر حسب مگاالکترون ولت (MeV) بیان می شود. اجازه دهید انرژی اتصال مربوط به یک واحد جرم اتمی (، سرعت نور در خلاء) را تعیین کنیم
):

بیایید مقدار حاصل را به الکترون ولت تبدیل کنیم:

در این رابطه، در عمل استفاده از عبارت زیر برای انرژی اتصال راحت تر است:

که در آن ضریب m بر حسب واحد جرم اتمی بیان می شود.

یکی از ویژگی های مهم هسته، انرژی اتصال ویژه هسته است، یعنی. انرژی اتصال در هر نوکلئون:

.

بیشتر ، نوکلئون ها قوی تر به یکدیگر متصل می شوند.

وابستگی مقدار  به عدد جرمی هسته در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که از نمودار مشاهده می شود، نوکلئون ها در هسته هایی با اعداد جرمی مرتبه 50-60 (Cr-Zn) به شدت محدود هستند. انرژی اتصال برای این هسته ها می رسد

8.7 مگا الکترون ولت / نوکلئون با افزایش A، انرژی اتصال ویژه به تدریج کاهش می یابد.

تشعشعات رادیواکتیو و انواع آن قانون واپاشی رادیواکتیو

فیزیکدان فرانسوی A. Becquerel در سال 1896 هنگام مطالعه درخشندگی نمکهای اورانیوم، او به طور تصادفی تابش خود به خودی آنها را کشف کرد که ماهیت ناشناخته ای داشت، که بر روی یک صفحه عکاسی عمل کرد، هوا را یونیزه کرد، از صفحات فلزی نازک عبور کرد و باعث درخشندگی تعدادی از مواد شد.

کوری ها در ادامه مطالعه خود در مورد این پدیده، دریافتند که چنین تشعشعی نه تنها برای اورانیوم، بلکه برای بسیاری از عناصر سنگین دیگر (توریم، اکتینیم، پلونیوم) مشخص است.
، رادیوم
).

تشعشع کشف شده رادیواکتیو و خود پدیده را رادیواکتیویته نامیدند.

آزمایشات بیشتر نشان داد که ماهیت تابش دارو تحت تأثیر نوع ماده شیمیایی نیست. اتصالات، حالت فیزیکی، فشار، دما، میدان های الکتریکی و مغناطیسی، به عنوان مثال. همه آن تأثیراتی که می تواند منجر به تغییر در وضعیت پوسته الکترونی اتم شود. در نتیجه، خواص رادیواکتیو یک عنصر تنها با ساختار هسته آن تعیین می شود.

رادیواکتیویته تبدیل خود به خودی برخی از هسته های اتمی به هسته های دیگر است که با انتشار ذرات بنیادی همراه است. رادیواکتیویته به طبیعی (مشاهده شده در ایزوتوپ های ناپایدار موجود در طبیعت) و مصنوعی (مشاهده در ایزوتوپ های به دست آمده از طریق واکنش های هسته ای) تقسیم می شود. هیچ تفاوت اساسی بین آنها وجود ندارد. تشعشعات رادیواکتیو ترکیب پیچیده ای دارند (شکل 2).

- تابش - تشعشعنشان دهنده جریانی از هسته های هلیوم است،
,
دارای قابلیت یونیزاسیون بالا و قابلیت نفوذ کم (جذب لایه ای از آلومینیوم) با
میلی متر).

- تابش - تشعشع- جریان الکترون های سریع توانایی یونیزاسیون تقریباً 2 مرتبه کمتر است و توانایی نفوذ بسیار بیشتر توسط لایه ای از آلومینیوم جذب می شود
میلی متر

- تابش - تشعشع- تابش الکترومغناطیسی موج کوتاه با
m و در نتیجه، با خواص جسمی برجسته، i.e. یک جریان است کوانت توانایی یونیزاسیون نسبتا ضعیف و قابلیت نفوذ بسیار بالایی دارد (از لایه ای از سرب با
سانتی متر).

هسته های رادیواکتیو منفرد مستقل از یکدیگر دچار دگرگونی می شوند. بنابراین، می توانیم تعداد هسته ها را فرض کنیم
، به مرور زمان پوسیده شد
متناسب با تعداد هسته های رادیواکتیو موجود
و زمان
:

,
.

علامت منفی نشان دهنده این واقعیت است که تعداد هسته های رادیواکتیو در حال کاهش است.

- ثابت واپاشی رادیواکتیو، مشخصه یک ماده رادیواکتیو معین، میزان واپاشی رادیواکتیو را تعیین می کند.

,
,

,
,
,
,

- قانون واپاشی رادیواکتیو،

- تعداد هسته ها در زمان اولیه
,

- تعداد هسته های پوسیده نشده در یک زمان .

تعداد هسته های پوسیده نشده طبق یک قانون نمایی کاهش می یابد.

تعداد هسته ها در طول زمان پوسیده شدند ، توسط عبارت تعیین می شود

زمانی که در طی آن نیمی از تعداد اولیه هسته ها تجزیه می شود نامیده می شود نیمه عمر. بیایید ارزش آن را تعیین کنیم.

در

,

,
,
,

,
.

نیمه عمر برای هسته های رادیواکتیو شناخته شده در حال حاضر از 310 -7 ثانیه تا 10  15 سال متغیر است.

تعداد هسته های در حال پوسیدگی در واحد زمان نامیده می شود فعالیت یک عنصر در یک منبع رادیواکتیو،

.

فعالیت در واحد جرم یک ماده - فعالیت خاص،

.

واحد فعالیت در Si بکرل (Bq) است.

1 Bq - فعالیت یک عنصر که در آن 1 عمل فروپاشی در 1 ثانیه رخ می دهد.

[A]=1Bq=1 .

واحد رادیواکتیویته خارج از سیستم کوری (Ci) است. 1Ki - فعالیتی که در آن 3.710 10 رویداد فروپاشی در 1 ثانیه رخ می دهد.

قوانین حفاظت برای واپاشی های رادیواکتیو و واکنش های هسته ای

هسته اتمی که در حال واپاشی است نامیده می شود مادری، هسته در حال ظهور - شرکت های تابعه.

واپاشی رادیواکتیو مطابق با قوانین جابجایی نامیده می شود، که این امکان را فراهم می کند تا مشخص شود کدام هسته از فروپاشی یک هسته والد مشخص می شود.

قوانین جابجایی نتیجه دو قانون است که در هنگام واپاشی رادیواکتیو اعمال می شود.

1. قانون پایستگی بار الکتریکی:

مجموع بارهای هسته و ذرات در حال ظهور برابر با بار هسته اصلی است.

2. قانون بقای عدد جرمی:

مجموع اعداد جرمی هسته ها و ذرات در حال ظهور برابر است با عدد جرمی هسته اصلی.

فروپاشی آلفا.

- پرتوها نشان دهنده جریانی از هسته هستند
. پوسیدگی طبق طرح پیش می رود

,

ایکس- نماد شیمیایی هسته مادر، - فرزند دختر.

فروپاشی آلفا معمولاً با انتشار از یک هسته دختر همراه است - اشعه ها

از نمودار می توان دریافت که عدد اتمی هسته دختر 2 واحد کمتر از هسته مادر است و عدد جرمی آن 4 واحد است، یعنی. عنصر حاصل - واپاشی، در جدول تناوبی 2 سلول در سمت چپ عنصر اصلی قرار خواهد گرفت.

.

همانطور که یک فوتون به صورت آماده در اعماق یک اتم وجود ندارد و فقط در لحظه گسیل ظاهر می شود، - ذره نیز به شکل تمام شده در هسته وجود ندارد، اما در لحظه فروپاشی رادیواکتیو خود زمانی که 2 پروتون و 2 نوترون در حال حرکت در داخل هسته هستند ظاهر می شود.

بتا - پوسیدگی.

- پوسیدگی یا پوسیدگی الکترونیکی طبق این طرح انجام می شود

.

عنصر حاصل
در جدول یک سلول به سمت راست (جابجا شده) نسبت به عنصر اصلی قرار خواهد گرفت.

پوسیدگی بتا ممکن است با انتشار همراه باشد - اشعه ها

تابش گاما . به طور تجربی ثابت شده است که تشعشع یک نوع مستقل از رادیواکتیویته نیست، بلکه فقط همراه است - و - واپاشی، در طی واکنش های هسته ای، کاهش سرعت ذرات باردار، فروپاشی آنها و غیره رخ می دهد.

واکنش هسته ایفرآیند برهمکنش قوی یک هسته اتمی با یک ذره بنیادی یا یک هسته دیگر است که منجر به تبدیل هسته (یا هسته) می شود. برهمکنش ذرات در حال واکنش زمانی اتفاق می افتد که آنها در فواصل حدود 15-10 متر به هم می رسند، یعنی. به فواصلی که در آن عمل نیروهای هسته ای امکان پذیر است، r~10 -15 متر.

رایج ترین نوع واکنش هسته ای واکنش متقابل ذرات نور است. "با هسته X که منجر به تشکیل یک ذره سبک می شود" V" و هسته Y.

X هسته اولیه است، Y هسته نهایی است.

-ذره ای که باعث واکنش می شود

V- ذره ای که در نتیجه واکنش ایجاد می شود.

به عنوان ذرات نور آو Vنوترون ممکن است ظاهر شود ، پروتون ، دوترون
,- ذره،
,- فوتون

در هر واکنش هسته ای، قوانین حفاظت رعایت می شود:

1) بارهای الکتریکی: مجموع بارهای هسته و ذرات وارد شده به واکنش برابر است با مجموع بارهای محصولات نهایی (هسته و ذرات) واکنش.

2) اعداد جرمی؛

3) انرژی؛

4) تکانه؛

5) تکانه زاویه ای.

اثر انرژی یک واکنش هسته ای را می توان با ترسیم تعادل انرژی برای واکنش محاسبه کرد. مقدار انرژی آزاد شده و جذب شده را انرژی واکنش می نامند و با تفاوت جرم (بیان شده بر حسب واحد انرژی) محصولات اولیه و نهایی یک واکنش هسته ای تعیین می شود. اگر مجموع جرم هسته ها و ذرات حاصل از مجموع جرم هسته ها و ذرات اولیه بیشتر شود، واکنش با جذب انرژی رخ می دهد (و بالعکس).

این سوال که کدام تبدیلات هسته ای شامل جذب یا آزاد شدن انرژی است را می توان با استفاده از نموداری از انرژی اتصال ویژه در مقابل عدد جرمی A حل کرد (شکل 1). نمودار نشان می دهد که هسته عناصر در ابتدا و انتهای جدول تناوبی از ثبات کمتری برخوردار است، زیرا  کمتر دارند.

در نتیجه، آزاد شدن انرژی هسته ای هم در طی واکنش های شکافت هسته های سنگین و هم در طی واکنش های همجوشی هسته های سبک رخ می دهد.

این ماده از آنجایی که روش های صنعتی تولید انرژی هسته ای بر آن استوار است، بسیار مهم است.

برای شکستن یک هسته به نوکلئون‌های مجزا (آزاد) که با یکدیگر برهمکنش ندارند، باید برای غلبه بر نیروهای هسته‌ای کار کرد، یعنی انرژی خاصی را به هسته منتقل کرد. برعکس، وقتی نوکلئون های آزاد با هم ترکیب می شوند و در یک هسته قرار می گیرند، همان انرژی آزاد می شود (طبق قانون بقای انرژی).

• حداقل انرژی لازم برای تقسیم یک هسته به نوکلئون های منفرد، انرژی اتصال هسته ای نامیده می شود

چگونه می توان مقدار انرژی اتصال یک هسته را تعیین کرد؟

ساده ترین راه برای یافتن این انرژی بر اساس استفاده از قانون رابطه بین جرم و انرژی است که توسط دانشمند آلمانی آلبرت انیشتین در سال 1905 کشف شد.

آلبرت اینشتین (1879-1955)
فیزیکدان نظری آلمانی، یکی از بنیانگذاران فیزیک مدرن. کشف قانون رابطه بین جرم و انرژی، ایجاد نظریه های خاص و عام نسبیت

طبق این قانون، بین جرم m یک سیستم ذرات و انرژی باقیمانده، یعنی انرژی درونی E 0 این سیستم، یک رابطه نسبت مستقیم وجود دارد:

که در آن c سرعت نور در خلاء است.

اگر انرژی باقیمانده یک سیستم از ذرات در نتیجه هر فرآیندی با مقدار ΔE 0 1 تغییر کند، آنگاه تغییر متناظری در جرم این سیستم با مقدار Δm خواهد داشت و رابطه بین این مقادیر بیان خواهد شد. با برابری:

ΔE 0 = Δmс 2.

بنابراین، هنگامی که نوکلئون های آزاد در یک هسته ادغام می شوند، در نتیجه آزاد شدن انرژی (که توسط فوتون های ساطع شده در طی این فرآیند منتقل می شود)، جرم نوکلئون ها نیز باید کاهش یابد. به عبارت دیگر، جرم یک هسته همیشه کمتر از مجموع جرم های نوکلئون هایی است که از آن تشکیل شده است.

فقدان جرم هسته ای Δm در مقایسه با جرم کل نوکلئون های تشکیل دهنده آن را می توان به صورت زیر نوشت:

Δm = (Zm p + Nm n) - M i،

که در آن M i جرم هسته، Z و N تعداد پروتون ها و نوترون های هسته و m p و m n جرم های پروتون و نوترون آزاد هستند.

کمیت Δm عیب جرم نامیده می شود. وجود نقص توده ای با آزمایش های متعدد تأیید شده است.

برای مثال، انرژی اتصال ΔE 0 هسته یک اتم دوتریوم (هیدروژن سنگین) را محاسبه کنیم که از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است. به عبارت دیگر، بیایید انرژی مورد نیاز برای تقسیم یک هسته به یک پروتون و یک نوترون را محاسبه کنیم.

برای این کار ابتدا نقص جرمی Δm این هسته را تعیین می کنیم و مقادیر تقریبی جرم نوکلئون ها و جرم هسته اتم دوتریوم را از جداول مربوطه می گیریم. طبق داده های جدولی، جرم پروتون تقریباً 1.0073 a است. e.m.، جرم نوترون - 1.0087 a. e.m.، جرم هسته دوتریوم 2.0141 صبح است. a.m. بنابراین، Δm = (1.0073 a.u.m. + 1.0087 a.u.m.) - 2.0141 a.u. e.m = 0.0019 a. خوردن

برای به دست آوردن انرژی اتصال بر حسب ژول، نقص جرم باید بر حسب کیلوگرم بیان شود.

با توجه به اینکه 1 a. e.m = 1.6605 10 -27 کیلوگرم، دریافت می کنیم:

Δm = 1.6605 10 -27 کیلوگرم 0.0019 = 0.0032 10 -27 کیلوگرم.

با جایگزینی این مقدار نقص جرم به فرمول انرژی اتصال، به دست می آوریم:

انرژی آزاد شده یا جذب شده در طول هر واکنش هسته ای را می توان در صورتی محاسبه کرد که جرم هسته های متقابل و ذرات تشکیل شده در نتیجه این برهمکنش مشخص باشد.

سوالات

1. انرژی اتصال یک هسته چقدر است؟
2. فرمول تعیین نقص جرم هر هسته را بنویسید.
3. فرمول محاسبه انرژی اتصال یک هسته را بنویسید.

1 حرف یونانی Δ ("دلتا") معمولاً نشان دهنده تغییر در کمیت فیزیکی است که نماد آن قبل از این حرف است.

همانطور که قبلاً اشاره شد (نگاه کنید به § 138)، نوکلئون ها به طور محکم در هسته یک اتم توسط نیروهای هسته ای متصل می شوند. برای شکستن این پیوند، یعنی جداسازی کامل نوکلئون ها، باید مقدار معینی انرژی صرف شود (کار انجام شود).

انرژی لازم برای جداسازی نوکلئون های تشکیل دهنده هسته را انرژی اتصال هسته می گویند. و انرژی (نگاه کنید به بند 20).

بر اساس قانون بقای انرژی، انرژی نوکلئون های محدود شده در یک هسته باید کمتر از انرژی نوکلئون های جدا شده به میزان انرژی اتصال هسته 8 باشد. از طرف دیگر، طبق قانون تناسب هسته جرم و انرژی، تغییر در انرژی سیستم با تغییر متناسب در جرم سیستم همراه است

که در آن c سرعت نور در خلاء است. از آنجایی که در مورد مورد بررسی این انرژی اتصال هسته است، جرم هسته اتم باید کمتر از مجموع جرم های نوکلئون های تشکیل دهنده هسته باشد، به مقداری که نقص جرم هسته ای نامیده می شود. با استفاده از فرمول (10) می توانید انرژی اتصال یک هسته را در صورتی که نقص جرمی این هسته مشخص باشد محاسبه کنید.

در حال حاضر، جرم هسته‌های اتمی با درجه بالایی از دقت با استفاده از طیف‌نگار جرمی تعیین می‌شوند (به بند 102 مراجعه کنید). توده های نوکلئون نیز شناخته شده اند (نگاه کنید به بند 138). این امر امکان تعیین نقص جرم هر هسته و محاسبه انرژی اتصال هسته را با استفاده از فرمول (10) ممکن می سازد.

به عنوان مثال، اجازه دهید انرژی اتصال هسته یک اتم هلیوم را محاسبه کنیم. از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. جرم پروتون، جرم نوترون است، بنابراین، جرم هسته اتم هلیوم برابر است

سپس انرژی اتصال هسته هلیوم است

فرمول کلی برای محاسبه انرژی اتصال هر هسته بر حسب ژول از نقص جرمی آن بدیهی است که شکل

که در آن عدد اتمی و A عدد جرمی است. بیان جرم نوکلئون ها و هسته ها به واحد جرم اتمی و در نظر گرفتن آن

می توانید فرمول انرژی اتصال یک هسته را بر حسب مگاالکترون ولت بنویسید:

انرژی اتصال یک هسته در هر نوکلئون را انرژی اتصال ویژه می گویند.

در هسته هلیوم

انرژی اتصال خاص، پایداری (قدرت) هسته اتمی را مشخص می کند: هر چه v بزرگتر باشد، هسته پایدارتر است. طبق فرمول های (11) و (12)

بار دیگر تأکید می کنیم که در فرمول ها و (13) جرم نوکلئون ها و هسته ها در واحد جرم اتمی بیان می شود (به بند 138 مراجعه کنید).

با استفاده از فرمول (13)، می توانید انرژی اتصال ویژه هر هسته را محاسبه کنید. نتایج این محاسبات به صورت گرافیکی در شکل 1 ارائه شده است. 386; محور ارتین انرژی های اتصال ویژه را نشان می دهد. محور آبسیسا اعداد جرمی A را نشان می دهد. برای هسته های سنگین و سبک تا حدودی کمتر است (به عنوان مثال، اورانیوم، هلیوم). هسته اتمی هیدروژن دارای انرژی اتصال ویژه صفر است که کاملاً قابل درک است، زیرا چیزی برای جدا کردن در این هسته وجود ندارد: فقط از یک نوکلئون (پروتون) تشکیل شده است.

هر واکنش هسته ای با آزاد شدن یا جذب انرژی همراه است. نمودار وابستگی در اینجا A به شما امکان می دهد تعیین کنید که انرژی در کدام تبدیلات هسته ای آزاد می شود و در کجا جذب می شود. هنگامی که یک هسته سنگین به هسته هایی با اعداد جرمی A از مرتبه 100 (یا بیشتر) تقسیم می شود، انرژی (انرژی هسته ای) آزاد می شود. اجازه دهید این موضوع را با استدلال زیر توضیح دهیم. برای مثال، اجازه دهید هسته اورانیوم به دو قسمت تقسیم شود

هسته های اتمی («قطعه ها») با اعداد جرمی انرژی اتصال ویژه یک هسته اورانیوم انرژی اتصال ویژه هر یک از هسته های جدید برای جدا کردن تمام نوکلئون هایی که هسته اتمی اورانیوم را تشکیل می دهند، لازم است انرژی برابر با اتصال مصرف شود. انرژی هسته اورانیوم:

هنگامی که این نوکلئون ها به دو هسته اتمی جدید با اعداد جرمی 119 ترکیب می شوند، انرژی برابر با مجموع انرژی های اتصال هسته های جدید آزاد می شود:

در نتیجه، در نتیجه واکنش شکافت هسته اورانیوم، انرژی هسته ای به میزانی برابر با اختلاف بین انرژی اتصال هسته های جدید و انرژی اتصال هسته اورانیوم آزاد می شود:

آزاد شدن انرژی هسته ای همچنین در طی واکنش های هسته ای از نوع مختلف - در طی ترکیب (سنتز) چندین هسته سبک در یک هسته رخ می دهد. در واقع، اجازه دهید، برای مثال، سنتز دو هسته سدیم در هسته ای با عدد جرمی وجود داشته باشد. مصرف انرژی برابر با دو برابر انرژی اتصال یک هسته سدیم:

هنگامی که این نوکلئون ها در یک هسته جدید (با عدد جرمی 46) ترکیب می شوند، انرژی برابر با انرژی اتصال هسته جدید آزاد می شود:

در نتیجه، واکنش همجوشی هسته‌های سدیم با آزاد شدن انرژی هسته‌ای به مقداری برابر با اختلاف بین انرژی اتصال هسته سنتز شده و انرژی اتصال هسته‌های سدیم همراه است:

بنابراین، به این نتیجه می رسیم که

آزاد شدن انرژی هسته ای هم در طی واکنش های شکافت هسته های سنگین و هم در طی واکنش های همجوشی هسته های سبک رخ می دهد. مقدار انرژی هسته ای آزاد شده توسط هر هسته واکنش دهنده برابر است با تفاوت بین انرژی اتصال 8 2 محصول واکنش و انرژی اتصال 81 ماده هسته ای اصلی:

این ماده از آنجایی که روش های صنعتی تولید انرژی هسته ای بر آن استوار است، بسیار مهم است.

توجه داشته باشید که مطلوب ترین، از نظر بازده انرژی، واکنش همجوشی هسته های هیدروژن یا دوتریوم است.

زیرا، همانطور که از نمودار (نگاه کنید به شکل 386)، در این مورد، تفاوت در انرژی های اتصال بین هسته سنتز شده و هسته های اصلی بیشترین خواهد بود.

تحقیقات نشان می دهد که هسته های اتم سازندهای پایدار هستند. این بدان معنی است که در هسته پیوند خاصی بین نوکلئون ها وجود دارد. مطالعه این ارتباط را می توان بدون نیاز به اطلاعات در مورد ماهیت و خواص نیروهای هسته ای، اما بر اساس قانون بقای انرژی انجام داد.

بیایید تعاریف را معرفی کنیم.

انرژی اتصال یک نوکلئون در هستهیک کمیت فیزیکی برابر با کاری است که باید انجام شود تا یک نوکلئون معین از یک هسته بدون انتقال انرژی جنبشی به آن انجام شود.

پر شده انرژی اتصال هسته ایتوسط کاری که باید انجام شود تا یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن بدون انتقال انرژی جنبشی به آنها انجام شود، تعیین می شود.

از قانون بقای انرژی چنین بر می آید که وقتی یک هسته از نوکلئون های سازنده آن تشکیل می شود، انرژی باید برابر با انرژی اتصال هسته آزاد شود. بدیهی است که انرژی اتصال یک هسته برابر است با تفاوت بین انرژی کل نوکلئون های آزاد که یک هسته معین را تشکیل می دهند و انرژی آنها در هسته.

از نظریه نسبیت مشخص شده است که بین انرژی و جرم رابطه وجود دارد:

E = mс 2. (250)

اگر از طریق خیابان ΔEانرژی آزاد شده در طول تشکیل یک هسته را نشان می دهد، سپس این آزاد شدن انرژی، طبق فرمول (250) باید با کاهش جرم کل هسته در طول تشکیل آن از ذرات تشکیل دهنده همراه باشد:

Δm = ΔE خیابان / از 2 (251)

اگر با علامت گذاری کنیم m p، m n، m Iبه ترتیب، جرم های پروتون، نوترون و هسته، سپس Δmرا می توان با فرمول تعیین کرد:

Dm = [Zm р + (A-Z)m n]-من . (252)

جرم هسته ها را می توان با استفاده از طیف سنج های جرمی - ابزارهای اندازه گیری که پرتوهای ذرات باردار (معمولا یون ها) را با بارهای خاص متفاوت با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی جدا می کند، با دقت بسیار تعیین کرد. q/m. اندازه گیری های طیف سنجی جرمی نشان داد که در واقع، جرم یک هسته کمتر از مجموع جرم نوکلئون های تشکیل دهنده آن است.

تفاوت بین مجموع جرم نوکلئون های سازنده هسته و جرم هسته نامیده می شود. نقص جرم اصلی(فرمول (252)).

با توجه به فرمول (251)، انرژی اتصال نوکلئون ها در هسته با عبارت:

ΔE SV = [زم ص+ (A-Z)m n - m I ]با 2 . (253)

جداول معمولاً جرم هسته ها را نشان نمی دهند من، و جرم اتم ها m a. بنابراین، برای انرژی اتصال از فرمول استفاده می کنیم:

ΔE SV =[زم اچ+ (A-Z)m n - m a ]با 2 (254)

جایی که mH- جرم اتم هیدروژن 1 H 1. زیرا mHبیشتر آقای، با مقدار جرم الکترون m e,سپس اولین عبارت در براکت های مربع شامل جرم Z الکترون ها می شود. اما، از آنجایی که جرم اتم است m aمتفاوت از جرم هسته منفقط با جرم Z الکترون ها، سپس محاسبات با استفاده از فرمول های (253) و (254) به نتایج یکسانی منجر می شود.

غالباً به جای انرژی اتصال هسته ها را در نظر می گیرند انرژی اتصال خاصdE NEانرژی اتصال در یک نوکلئون هسته است. این پایداری (قدرت) هسته های اتمی را مشخص می کند، یعنی بیشتر dE NE، هسته پایدارتر است . انرژی اتصال ویژه به عدد جرمی بستگی دارد آعنصر برای هسته های سبک (A £ 12)، انرژی اتصال ویژه به شدت به 6 ¸ 7 مگا ولت افزایش می یابد، و تحت تعدادی پرش قرار می گیرد (شکل 93 را ببینید). به عنوان مثال، برای dE NE= 1.1 MeV، برای -7.1 MeV، برای -5.3 MeV. با افزایش بیشتر در عدد جرمی dE، SV آهسته تر افزایش می یابد و به حداکثر مقدار 8.7 مگا الکترون ولت برای عناصر دارای آ=50¸60، و سپس به تدریج برای عناصر سنگین کاهش می یابد. به عنوان مثال، برای آن 7.6 MeV است. اجازه دهید برای مقایسه توجه کنیم که انرژی اتصال الکترون های ظرفیت در اتم ها تقریباً 10 eV (10 6 برابر کمتر) است.

روی منحنی انرژی اتصال ویژه در مقابل عدد جرمی برای هسته های پایدار (شکل 93)، الگوهای زیر قابل مشاهده است:

الف) اگر سبک ترین هسته ها را دور بریزیم، در یک تقریب خشن، به اصطلاح صفر، انرژی اتصال ویژه ثابت و برابر با تقریباً 8 مگا ولت در هر است.

نوکلئون استقلال تقریبی انرژی اتصال ویژه از تعداد نوکلئون ها نشان دهنده خاصیت اشباع نیروهای هسته ای است. این خاصیت این است که هر نوکلئون فقط می تواند با چندین نوکلئون همسایه تعامل داشته باشد.

ب) انرژی اتصال ویژه کاملاً ثابت نیست، اما حداکثر (~ 8.7 مگا الکترون ولت / نوکلئون) در آ= 56، یعنی در ناحیه هسته های آهن، و به سمت هر دو لبه کاهش می یابد. حداکثر منحنی مربوط به پایدارترین هسته است. از نظر انرژی برای سبک ترین هسته ها مناسب است که با یکدیگر ادغام شوند و انرژی گرما هسته ای آزاد شوند. برعکس، برای سنگین ترین هسته ها، فرآیند شکافت به قطعات مفید است که با آزاد شدن انرژی به نام اتمی اتفاق می افتد.

پایدارترین آنها هسته های جادویی هستند که در آنها تعداد پروتون ها یا تعداد نوترون ها برابر با یکی از اعداد جادویی است: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 126. هسته های جادویی دوگانه به ویژه پایدار، که در آن هم تعداد پروتون ها و هم تعداد نوترون ها وجود دارد. تنها پنج مورد از این هسته ها وجود دارد: , , , , .