Энергия связи ядра. Дефект массы атомных ядер. Энергетический выход ядерных реакций.

Массы всех ядер, за исключением ядра водорода, меньше, чем массы образующих их протонов и нейтронов в свободном состоянии. Величина этой разности масс характеризует степень связи нуклонов в данном ядре. Её называют дефектом масс.

Дефект масс – это разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

Dm=Zm_p+(A-Z)m_n-m_я

где Z – число протонов, A-Z=N – число нейтронов в ядре.

В соответствии с соотношением Эйнштейна между массой и энергией дефекту массы соответствует некоторая энергия – энергия связи ядра.

Энергия связи атомных ядер – это энергия, которая необходима для расщепления ядра на отдельные нуклоны.

Е_св= (Zm_p+Nm_n-m_я)с²=Dmс²

Часто выражение для энергии связи записывают в виде

Е_св= (Zm_p+Nm_n-m_я) 931,5

где масса частиц выражена в а.е.м., а энергия – в МэВ.

Характеристикой устойчивости ядер служит удельная энергия связи ядра, т.е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Чем больше эта величина, тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, следовательно, тем устойчивее ядро.

Некоторые ядра являются неустойчивыми. Это объясняется либо тем, что в ядре протонов гораздо больше, чем нейтронов и, следовательно, возникает избыток энергии кулоновского взаимодействия; либо тем, что в ядре нейтронов намного больше, чем протонов и возникает избыток массы нейтронов.

Неустойчивые ядра начинают самопроизвольно распадаться.

Ядерными реакциями называют процессы изменения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии).

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Энергия, высвобождающаяся при ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Для некоторой ядерной реакции А+а®В+b энергетический выход

DЕ=(m_В+m_b-m_А-m_а)с²

БИЛЕТ 27

Реакции деления тяжёлых ядер. Цепная реакция деления. Критическая масса. Ядерный взрыв.

Реакции деления ядра – это реакции, при которых ядро по действием нейтронов (или других частиц) делится на несколько более лёгких ядер (осколков), чаще всего два, близких по массе. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии.

Впервые деление ядер урана путём бомбардировки их нейтронами было осуществлено в 1938 г. О.Ганом, Ф.Штрассманом и Л.Мейтнер. реакция шла по схеме:

₉₂²³⁵U+₀¹n®₅₆¹⁴⁵Ba+₃₆⁸⁸Kr+3₀¹n+200 МэВ

Выделение большого количества энергии можно объяснить тем, что удельная энергия связи для тяжёлых ядер приблизительно 7,6 МэВ, а для ядер, находящихся в середине таблицы Менделеева – 8,7 МэВ. Поэтому расщепление тяжёлого ядра на два более лёгких должно приводить к выделению энергии порядка 1,1 МэВ на один нуклон. Для урана с числом нуклонов 235 выделяется энергия более 200 МэВ. В основном, энергия выделяется в виде кинетической энергии осколков деления.

Процесс деления ядра можно представить, используя капельную модель ядра. Нуклоны, взаимодействуя со своими ближайшими соседями, стремятся уйти вглубь и создают силы ядерного поверхностного натяжения. Поэтому ядро принимает шарообразную форму, подобно жидкости, находящейся в состоянии невесомости. Нейтрон, поглощённый ядром, сообщает ему дополнительную энергию. Ядро переходит в возбуждённое состояние, при котором нуклоны начинают совершать колебательное движение. Это приводит к тому, что ядро приобретает удлинённую форму типа гантели. Ядерные силы уже не могут удержать все нуклоны вместе, и ядро, вследствие действия кулоновских сил отталкивания, распадается на несколько осколков.

Так как для средних ядер число нейтронов и протонов приблизительно одинаково, а для тяжёлых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов, то в результате реакции деления образуется 2-3 нейтрона с энергией в среднем 2 МэВ. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер урана. Процесс возникновения нейтронов и расщепления ядер нарастает лавинообразно. За короткий промежуток времени высвобождается большое количество энергии. Подобные процессы называются цепными реакциями.

Цепные реакции – это реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций.

Характеристикой реакции деления является коэффициент размножения нейтронов k: отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем. Так как нейтроны могут поглощаться примесями и покидать область с ядерным веществом, этот коэффициент зависит от количества примесей в уране и от его массы. Для осуществления цепной реакции необходимо минимальное количество вещества, которое называется критической массой.

Если коэффициент размножения k=1, то происходит управляемая цепная реакция деления ядер, осуществляемая в ядерных реакторах.

Если k<1, то реакция с течением времени останавливается.

Если k>1, то происходит неконтролируемое размножение нейтронов, приводящее к взрыву.

БИЛЕТ 28