Энергия связи ядра

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Энергия связи ядер»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  ( p , n )  · Ядерное вещество  · Ядерная сила  · Структура  ядра · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Классификация нуклидов Изотопы - равны Z Изобары - равны A Изотоны - равны N Изодиафер - равны N  -  Z       Изомеры - равны всем вышеперечисленным зеркальным ядрам  - Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Четный / нечетный  · Гало  ( Борромео )
Ядерная стабильность Энергия связи  · Соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности  · Стабильный нуклид
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  ( 2β , β + )  · Захват K / L  · Изомерный  ( Гамма γ  · Внутреннее преобразование )  · Спонтанное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Эмиссия протонов Распад энергия  · Распад цепь  · Распад продукт  · Радиогенная нуклид
Ядерное деление Спонтанное  · Продукты  ( разрушение пар )  · Фотоделение
Процессы захвата электрон ( 2 × )  · нейтрон  ( s  · r )  · протон  ( p  · rp )
Высокоэнергетические процессы Расщепление ( космическими лучами )  · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Процессы ядерного синтеза : звездные  · Большой взрыв  · Нуклиды сверхновых : изначальные  · космогенные  · искусственные
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Бете  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ир. Кюри  · о. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Йенсен  · Лоуренс  · Майер  · Мейтнер  · Олифант  · Оппенгеймер  · Прока  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Содди · Штрассманн  · Свинтецкий  · Сцилард  · Теллер  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер
v т е

Ядерная энергия связывания является минимальной энергией , которая требуется , чтобы разобрать ядро из с атома на составные части. Эти составные части представляют собой нейтроны и протоны , которые вместе называются нуклонами . Энергия связи всегда является положительным числом, так как нам нужно тратить энергию на перемещение этих нуклонов, притягиваемых друг к другу сильным ядерным взаимодействием , друг от друга. Масса атомного ядра меньше , чем сумма отдельных масс свободных составляющих протонов и нейтронов, в соответствии с уравнением Эйнштейна Е = тс ². Эта «недостающая масса» известна как дефект массы и представляет собой энергию, высвободившуюся при образовании ядра.

Термин «энергия связи ядра» может также относиться к энергетическому балансу в процессах, в которых ядро ​​расщепляется на фрагменты, состоящие более чем из одного нуклона. Если новая энергия связи доступна при слиянии легких ядер ( ядерный синтез ) или при расщеплении тяжелых ядер ( ядерное деление ), любой процесс может привести к высвобождению этой энергии связи. Эта энергия может быть доступна в виде ядерной энергии и может использоваться для производства электричества, например, в ядерной энергетике или в ядерном оружии . Когда большое ядро распадается на части, избыточная энергия испускается в виде фотона (гамма-лучи) и в виде кинетической энергии ряда различных выброшенных частиц (продукты ядерного деления ).

Эти энергии и силы связи ядер примерно в миллион раз превышают энергии связи электронов легких атомов, таких как водород. ^[1]

Дефект массы ядра представляет собой величину массы, эквивалентную энергии связи ядра (E = mc ² ), которая представляет собой разность между массой ядра и суммой индивидуальных масс нуклонов, из которых оно состоит. составлен. ^[2]

Введение [ править ]

Энергия связи ядер объясняется основными принципами ядерной физики.

Ядерная энергия [ править ]

Поглощение или высвобождение ядерной энергии происходит в ядерных реакциях или радиоактивном распаде ; те, которые поглощают энергию, называются эндотермическими реакциями, а те, которые выделяют энергию, - экзотермическими реакциями. Энергия потребляется или высвобождается из-за различий в энергии связи ядра между входящими и исходящими продуктами ядерной трансмутации. ^[3]

Наиболее известными классами экзотермических превращений ядер являются деление и синтез . Ядерная энергия может быть высвобождена путем деления атома, когда тяжелые атомные ядра (такие как уран и плутоний) распадаются на более легкие ядра. Энергия деления используется для выработки электроэнергии в сотнях мест по всему миру. Ядерная энергия также высвобождается во время атомного синтеза, когда легкие ядра, такие как водород , объединяются с образованием более тяжелых ядер, таких как гелий. Солнце и другие звезды используют ядерный синтез для генерации тепловой энергии, которая позже излучается с поверхности, что является типом звездного нуклеосинтеза. В любом экзотермическом ядерном процессе масса ядра может в конечном итоге преобразоваться в тепловую энергию, отдаваемую в виде тепла.

Чтобы количественно оценить энергию, выделяемую или поглощаемую при любой ядерной трансмутации, необходимо знать ядерные энергии связи ядерных компонентов, участвующих в трансмутации.

Ядерная сила [ править ]

Электроны и ядра удерживаются вместе за счет электростатического притяжения (отрицательное притягивает положительное). Кроме того, электроны иногда используются соседними атомами или передаются им (процессами квантовой физики ); эта связь между атомами называется химической связью и отвечает за образование всех химических соединений . ^[4]

Сила электрического притяжения не удерживает ядра вместе, потому что все протоны несут положительный заряд и отталкиваются друг от друга. Таким образом, электрические силы не удерживают ядра вместе, потому что они действуют в противоположном направлении. Было установлено, что связывание нейтронов с ядрами явно требует неэлектрического притяжения. ^[4]

Следовательно, другая сила, называемая ядерной силой (или остаточной сильной силой ), удерживает вместе нуклоны ядер. Эта сила является остатком сильного взаимодействия , которое связывает кварки в нуклоны на еще меньшем расстоянии.

Тот факт, что ядра не слипаются друг с другом при нормальных условиях, предполагает, что ядерная сила должна быть слабее электрического отталкивания на больших расстояниях, но сильнее на близких. Следовательно, он имеет характеристики ближнего действия. Аналогия с ядерной силой - это сила между двумя маленькими магнитами: магниты очень трудно разделить, когда они соединены вместе, но когда они отодвинуты на небольшое расстояние друг от друга, сила между ними падает почти до нуля. ^[4]

В отличие от гравитации или электрических сил, ядерная сила действует только на очень коротких расстояниях. На больших расстояниях преобладает электростатическая сила: протоны отталкиваются друг от друга, потому что они заряжены положительно, и подобные заряды отталкиваются. По этой причине протоны, образующие ядра обычного водорода - например, в воздушном шаре, заполненном водородом, - не объединяются с образованием гелия (процесс, который также потребовал бы, чтобы некоторые протоны соединялись с электронами и становились нейтронами ). Они не могут подобраться достаточно близко, чтобы ядерная сила, привлекающая их друг к другу, стала важной. Только в условиях экстремального давления и температуры (например, в ядрезвезда ), может ли такой процесс иметь место. ^[5]

Физика ядер [ править ]

На Земле около 94 природных элементов . У атомов каждого элемента есть ядро, содержащее определенное количество протонов (всегда одно и то же количество для данного элемента) и некоторое количество нейтронов , которое часто примерно одинаковое. Два атома одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов, известны как изотопы элемента. Различные изотопы могут иметь разные свойства - например, один может быть стабильным, а другой - нестабильным, и постепенно подвергаться радиоактивному распаду, чтобы стать другим элементом.

Ядро водорода содержит всего один протон. Его изотоп дейтерий или тяжелый водород содержит протон и нейтрон. Гелий содержит два протона и два нейтрона, а углерод, азот и кислород - по шесть, семь и восемь каждой частицы соответственно. Однако ядро ​​гелия весит меньше, чем сумма весов двух тяжелых ядер водорода, которые вместе образуют его. ^[6] То же самое верно для углерода, азота и кислорода. Например, ядро ​​углерода немного легче трех ядер гелия, которые могут объединиться в ядро ​​углерода. Эта разница известна как дефект массы.

Массовый дефект [ править ]

Дефект массы (также называемый «дефицит массы») - это разница между массой объекта и суммой масс составляющих его частиц. Обнаруженный Альбертом Эйнштейном в 1905 году, его можно объяснить с помощью его формулы E  =  mc 2 , которая описывает эквивалентность энергии и массы . Уменьшение массы равно энергии, выделяемой в реакции создания атома, деленной на c ² . ^[7]По этой формуле добавление энергии также увеличивает массу (как вес, так и инерцию), тогда как удаление энергии уменьшает массу. Например, атом гелия, содержащий четыре нуклона, имеет массу примерно на 0,8% меньше, чем общая масса четырех ядер водорода (каждое из которых содержит по одному нуклону). В ядре гелия четыре нуклона связаны вместе, и энергия связи, удерживающая их вместе, составляет, по сути, недостающие 0,8% массы. ^{[8] [9]}

Если комбинация частиц содержит дополнительную энергию - например, в молекуле взрывчатого вещества TNT - ее взвешивание обнаруживает некоторую дополнительную массу по сравнению с ее конечными продуктами после взрыва. (Конечные продукты должны быть взвешены после того, как они были остановлены и охлаждены, поскольку дополнительная масса должна уйти из системы в виде тепла, прежде чем ее потеря может быть замечена теоретически.) С другой стороны, если нужно подавать энергию на разделить систему частиц на компоненты, тогда начальная масса будет меньше массы компонентов после их разделения. В последнем случае введенная энергия «хранится» как потенциальная энергия., что проявляется в увеличении массы компонентов, которые его хранят. Это пример того факта, что энергия всех типов рассматривается в системах как масса, поскольку масса и энергия эквивалентны, и каждая из них является "свойством" друг друга. ^[10]

Последний сценарий имеет место с ядрами, такими как гелий: чтобы разбить их на протоны и нейтроны, нужно ввести энергию. С другой стороны, если бы существовал процесс, идущий в противоположном направлении, посредством которого атомы водорода могли бы объединяться с образованием гелия, тогда бы высвобождалась энергия. Энергию можно вычислить, используя E  = Δ m  c ² для каждого ядра, где Δ m - это разница между массой ядра гелия и массой четырех протонов (плюс два электрона, поглощенных для создания нейтронов гелия).

Для более легких элементов энергия, которая может быть высвобождена путем сборки их из более легких элементов, уменьшается, и энергия может высвобождаться при их плавлении. Это верно для ядер легче железа / никеля . Для более тяжелых ядер требуется больше энергии, чтобы связать их, и эта энергия может быть высвобождена путем разрушения их на фрагменты (известное как деление атомов ). В настоящее время ядерная энергия вырабатывается путем разрушения ядер урана в ядерных энергетических реакторах и улавливания выделяющейся энергии в виде тепла, которое преобразуется в электричество.

Как правило, очень легкие элементы могут сравнительно легко плавиться, а очень тяжелые элементы могут очень легко распадаться путем деления; элементы в середине более стабильны, и их трудно заставить подвергнуться слиянию или делению в такой среде, как лаборатория.

Причина, по которой после появления железа наблюдается обратная тенденция, заключается в растущем положительном заряде ядер, который имеет тенденцию заставлять ядра распадаться. Ему сопротивляется сильное ядерное взаимодействие , которое удерживает нуклоны вместе. Электрическая сила может быть слабее, чем сильная ядерная сила, но сильная сила имеет гораздо более ограниченный диапазон: в ядре железа каждый протон отталкивает другие 25 протонов, в то время как ядерная сила связывает только ближайших соседей. Таким образом, для более крупных ядер электростатические силы имеют тенденцию преобладать, и ядро ​​со временем будет иметь тенденцию к распаду.

По мере того, как ядра становятся все больше, этот разрушительный эффект становится все более значительным. К тому времени, когда достигается полоний (84 протона), ядра уже не могут вмещать свой большой положительный заряд, но довольно быстро испускают свои избыточные протоны в процессе альфа-радиоактивности - испускания ядер гелия, каждое из которых содержит два протона и два нейтрона. (Ядра гелия - особенно стабильная комбинация.) Из-за этого процесса ядра с более чем 94 протонами не встречаются в естественных условиях на Земле (см. Периодическую таблицу ). Изотопы помимо урана (атомный номер 92) с наибольшим периодом полураспада - это плутоний-244 (80 миллионов лет) и кюрий-247 (16 миллионов лет).

Энергия связи Солнца [ править ]

Процесс ядерного синтеза работает следующим образом: пять миллиардов лет назад новое Солнце образовалось, когда гравитация стянула воедино огромное облако водорода и пыли, из которого также возникли Земля и другие планеты. Гравитационное притяжение высвобождает энергию и нагревает раннее Солнце во многом так, как предполагал Гельмгольц . ^[11]

Тепловая энергия проявляется как движение атомов и молекул: чем выше температура совокупности частиц, тем больше их скорость и тем сильнее их столкновения. Когда температура в центре новообразованного Солнца стала достаточно высокой, чтобы столкновения между ядрами водорода преодолели их электрическое отталкивание и привели их в ближний диапазон действия ядерной силы притяжения., ядра начали слипаться. Когда это начало происходить, протоны объединились в дейтерий, а затем в гелий, при этом некоторые протоны превратились в нейтроны (плюс позитроны, положительные электроны, которые объединяются с электронами и аннигилируют в гамма-фотоны). Эта высвободившаяся ядерная энергия теперь поддерживает высокую температуру ядра Солнца, а тепло также поддерживает высокое давление газа, сохраняя Солнце его нынешний размер и не давая гравитации сжимать его больше. Теперь существует стабильный баланс между гравитацией и давлением. ^[12]

На разных стадиях существования Солнца могут преобладать разные ядерные реакции, включая протон-протонную реакцию и цикл углерод-азот, в котором участвуют более тяжелые ядра, но конечным продуктом которых все же является комбинация протонов с образованием гелия.

Раздел физики, исследование управляемого ядерного синтеза, с 1950-х годов пытается получить полезную энергию из реакций ядерного синтеза, которые объединяют небольшие ядра в более крупные, обычно для нагрева котлов, пар которых может вращать турбины и производить электричество. К сожалению, ни одна земная лаборатория не может сравниться с одной особенностью солнечной электростанции: огромной массой Солнца, вес которого удерживает горячую плазму сжатой и ограничивает ядерную печь ядром Солнца. Вместо этого физики используют сильные магнитные поля для ограничения плазмы, а в качестве топлива они используют тяжелые формы водорода, которые легче горят. Магнитные ловушки могут быть довольно нестабильными, и любая плазма, достаточно горячая и плотная для ядерного синтеза, имеет тенденцию выскользнуть из них через короткое время. Даже с помощью хитроумных уловок заключение в большинстве случаев длится лишь малую долю секунды.Согласно недавним исследованиям, энергия связи экситона является ключевой для эффективных солнечных элементов.^[13]

Объединение ядер [ править ]

Маленькие ядра, которые больше водорода, могут объединяться в более крупные и выделять энергию, но при объединении таких ядер количество выделяемой энергии намного меньше, чем при синтезе водорода. Причина в том, что в то время как весь процесс высвобождает энергию, позволяющую ядерному притяжению выполнять свою работу, сначала необходимо ввести энергию, чтобы объединить положительно заряженные протоны, которые также отталкиваются друг от друга своим электрическим зарядом. ^[5]

Для элементов, которые весят больше железа (ядро с 26 протонами), в процессе синтеза больше не выделяется энергия. В даже более тяжелых ядрах энергия потребляется, а не высвобождается при объединении ядер аналогичного размера. С такими большими ядрами преодоление электрического отталкивания (которое влияет на все протоны в ядре) требует больше энергии, чем выделяется ядерным притяжением (которое эффективно в основном между ближайшими соседями). И наоборот, энергия может быть высвобождена при разрыве ядер тяжелее железа. ^[5]

В случае ядер элементов тяжелее свинца электрическое отталкивание настолько велико, что некоторые из них самопроизвольно выбрасывают положительные фрагменты, обычно ядра гелия, которые образуют очень стабильные комбинации ( альфа-частицы ). Этот спонтанный распад является одной из форм радиоактивности, проявляемой некоторыми ядрами. ^[5]

Ядра тяжелее свинца (за исключением висмута , тория и урана ) спонтанно распадаются слишком быстро, чтобы появиться в природе как первичные элементы , хотя они могут быть произведены искусственно или в качестве промежуточных звеньев в цепочках распада более тяжелых элементов. Как правило, чем тяжелее ядра, тем быстрее они самопроизвольно распадаются. ^[5]

Ядра железа являются наиболее стабильными ядрами (в частности, железо-56 ), и поэтому лучшими источниками энергии являются ядра, массы которых максимально удалены от железа. Можно объединить самые легкие из них - ядра водорода (протоны), чтобы образовать ядра гелия, и именно так Солнце генерирует свою энергию. В качестве альтернативы можно разбить самые тяжелые из них - ядра урана или плутония - на более мелкие фрагменты, и это то, что делают ядерные реакторы . ^[5]

Энергия связи ядра [ править ]

Примером, иллюстрирующим энергию связи ядра, является ядро ¹² C (углерод-12), которое содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга, но ядерная сила преодолевает отталкивание и заставляет их слипаться. Ядерная сила - это сила ближнего действия (она сильно притягивает на расстоянии 1,0 фм и становится чрезвычайно малой на расстоянии 2,5 фм), и практически никакого эффекта этой силы вне ядра не наблюдается. Ядерная сила также сближает нейтроны или нейтроны и протоны. ^[14]

Энергия ядра отрицательна по сравнению с энергией частиц, разнесенных на бесконечное расстояние (точно так же, как гравитационная энергия планет солнечной системы), потому что энергия должна использоваться для разделения ядра на отдельные протоны и нейтроны. Масс-спектрометры измеряли массы ядер, которые всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, которые их образуют, а разница - по формуле E  =  m  c ^{2 -} дает энергию связи ядра. ^[14]

Ядерный синтез [ править ]

Энергия связи гелия является источником энергии Солнца и большинства звезд. Солнце на 74% состоит из водорода (по массе), элемента, ядро ​​которого состоит из одного протона. Энергия на Солнце выделяется, когда 4 протона объединяются в ядро ​​гелия, при этом два из них также преобразуются в нейтроны. ^[14]

Превращение протонов в нейтроны является результатом другой ядерной силы, известной как слабая (ядерная) сила . Слабое взаимодействие, как и сильное, имеет небольшой радиус действия, но намного слабее, чем сильное. Слабое взаимодействие пытается привести количество нейтронов и протонов в наиболее энергетически стабильную конфигурацию. Для ядер, содержащих менее 40 частиц, эти числа обычно примерно равны. Протоны и нейтроны тесно связаны и вместе известны как нуклоны. По мере увеличения числа частиц до максимального значения, равного примерно 209, количество нейтронов для поддержания стабильности начинает превышать количество протонов, пока отношение нейтронов к протонам не станет примерно трех к двум. ^[14]

Протоны водорода объединяются в гелий только в том случае, если у них есть скорость, достаточная для преодоления взаимного отталкивания друг друга, чтобы попасть в зону действия сильного ядерного притяжения. Это означает, что синтез происходит только в очень горячем газе. Водород, достаточно горячий для соединения с гелием, требует огромного давления, чтобы удерживать его в ограниченном пространстве , но подходящие условия существуют в центральных областях Солнца, где такое давление обеспечивается огромным весом слоев над ядром, прижатых внутрь сильной солнечной энергией. сила тяжести. Процесс объединения протонов с образованием гелия является примером ядерного синтеза. ^[14]

Океаны Земли содержат большое количество водорода, который теоретически может быть использован для синтеза, а побочный продукт синтеза гелий не вредит окружающей среде, поэтому некоторые считают ядерный синтез хорошей альтернативой для удовлетворения энергетических потребностей человечества. Эксперименты по выработке электричества из термоядерного синтеза пока удавались лишь частично. Достаточно горячий водород необходимо ионизировать и удерживать. Один из методов - использовать очень сильные магнитные поля, потому что заряженные частицы (например, захваченные радиационным поясом Земли) направляются линиями магнитного поля. В термоядерных экспериментах также используется тяжелый водород , который легче плавится, а плотность газа может быть умеренной. Но даже при использовании этих методов в экспериментах по термоядерному синтезу потребляется гораздо больше чистой энергии, чем получается в процессе. ^[14]

Максимум энергии связи и способы приблизиться к нему распадом [ править ]

В основных изотопах легких ядер, таких как углерод, азот и кислород, наиболее стабильная комбинация нейтронов и протонов - это когда числа равны (это продолжается до элемента 20, кальция). Однако в более тяжелых ядрах разрушительная энергия протонов увеличивается, поскольку они ограничены крошечным объемом и отталкиваются друг от друга. Энергия сильной силы, удерживающей ядро, также увеличивается, но медленнее, как если бы внутри ядра только нуклоны, расположенные близко друг к другу, были тесно связаны, а не более удаленные друг от друга. ^[14]

Чистая энергия связи ядра - это энергия ядерного притяжения за вычетом разрушающей энергии электрической силы. По мере того, как ядра становятся тяжелее гелия, их чистая энергия связи на нуклон (полученная из разницы в массе ядра и сумме масс составляющих нуклонов) растет все медленнее и медленнее, достигая пика на железе. По мере добавления нуклонов общая энергия связи ядра всегда увеличивается, но общая разрушающая энергия электрических сил (положительные протоны, отталкивающие другие протоны) также увеличивается, и после железа второе увеличение перевешивает первое. Железо-56 ( ⁵⁶ Fe) является наиболее эффективно связанным ядром ^[14], что означает, что оно имеет наименьшую среднюю массу на нуклон. Однако никель-62является наиболее сильно связанным ядром с точки зрения энергии связи на нуклон. ^[15] (Более высокая энергия связи никеля-62 не приводит к большей средней потере массы, чем ⁵⁶ Fe, потому что ⁶² Ni имеет немного более высокое соотношение нейтронов / протонов, чем железо-56, и присутствие более тяжелых нейтронов увеличивается средняя масса никеля-62 на нуклон).

Чтобы уменьшить разрушающую энергию, слабое взаимодействие позволяет количеству нейтронов превышать количество протонов - например, у основного изотопа железа 26 протонов и 30 нейтронов. Существуют также изотопы, в которых число нейтронов отличается от наиболее стабильного числа для этого числа нуклонов. Если отношение протонов к нейтронам слишком далеко от стабильности, нуклоны могут спонтанно превращаться из протона в нейтрон или из нейтрона в протон.

Два метода этого преобразования опосредуются слабым взаимодействием и включают типы бета-распада . В простейшем бета-распаде нейтроны превращаются в протоны, испуская отрицательный электрон и антинейтрино. Это всегда возможно вне ядра, потому что нейтроны массивнее протонов примерно на 2,5 электрона. В обратном процессе, который происходит только внутри ядра, а не со свободными частицами, протон может стать нейтроном, выбрасывая позитрон.. Это разрешено, если для этого имеется достаточно энергии между родительским и дочерним нуклидами (требуемая разность энергий равна 1,022 МэВ, что составляет массу 2 электронов). Если разница в массах родительского и дочернего меньше этого, богатое протонами ядро ​​все еще может преобразовывать протоны в нейтроны в процессе захвата электрона , в котором протон просто захватывает один из K орбитальных электронов атома, испускает нейтрино, и становится нейтроном. ^[14]

Среди самых тяжелых ядер, начиная с ядер теллура (элемент 52), содержащих 104 или более нуклонов, электрические силы могут быть настолько дестабилизирующими, что могут быть выброшены целые фрагменты ядра, обычно в виде альфа-частиц , которые состоят из двух протонов и двух нейтронов (альфа частицы - быстрые ядра гелия). ( Бериллий-8 также очень быстро распадается на две альфа-частицы.) Альфа-частицы чрезвычайно стабильны. Этот тип распада становится все более и более вероятным, когда атомный вес элементов превышает 104.

Кривая энергии связи представляет собой график зависимости энергии связи на нуклон от атомной массы. Эта кривая имеет свой главный пик на железе и никеле, а затем снова медленно уменьшается, а также узкий изолированный пик на гелии, который, как уже отмечалось, очень устойчив. Самые тяжелые ядра в природе, уран- ²³⁸ U, нестабильны, но имея период полураспада 4,5 миллиарда лет, близкий к возрасту Земли, они все еще относительно многочисленны; они (и другие ядра тяжелее гелия) образовались в ходе звездной эволюции, например, взрывах сверхновых ^[16], предшествующих формированию Солнечной системы. Самый распространенный изотоп тория, ²³²Th также испускается альфа-частицами, и его период полураспада (время, в течение которого распадается половина атомов) еще больше, в несколько раз. В каждом из них радиоактивный распад производит дочерние изотопы, которые также нестабильны, начиная цепочку распадов, которая заканчивается некоторым стабильным изотопом свинца. ^[14]

Расчет энергии связи ядра [ править ]

Расчет может быть использован для определения ядерной энергии связи ядер. Расчет включает определение дефекта массы , преобразование его в энергию и выражение результата в виде энергии на моль атомов или энергии на нуклон. ^[2]

Преобразование дефекта массы в энергию [ править ]

Дефект массы определяется как разница между массой ядра и суммой масс нуклонов, из которых оно состоит. Дефект массы определяется путем расчета трех величин. ^[2] Это фактическая масса ядра, состав ядра (количество протонов и нейтронов), а также массы протона и нейтрона. Затем следует преобразование дефекта массы в энергию. Эта величина является энергией связи ядра, однако она должна быть выражена как энергия на моль атомов или как энергия на нуклон. ^[2]

Деление и синтез [ править ]

Ядерная энергия выделяется при расщеплении (деление) или слияние (слияние) из ядер с атомом (ами). Преобразование ядерной массы - энергии в форму энергии, которая может удалить некоторую массу при удалении энергии, согласуется с формулой эквивалентности массы и энергии :

Δ E  = Δ m  c ² ,

в котором,

Δ E = выделение энергии,

Δ m = дефект массы ,

и c = скорость света в вакууме ( физическая постоянная 299 792 458 м / с по определению).

Ядерная энергия была впервые обнаружена французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, когда он обнаружил, что фотографические пластинки, хранящиеся в темноте рядом с ураном, почернели, как рентгеновские пластинки (рентгеновские лучи были открыты недавно в 1895 году). ^[17]

Никель-62 имеет самую высокую энергию связи на нуклон среди всех изотопов . Если атом с более низкой средней энергией связи превращается в два атома с более высокой средней энергией связи, энергия выделяется. Кроме того, если два атома с более низкой средней энергией связи сливаются в атом с более высокой средней энергией связи, выделяется энергия. На диаграмме показано, что синтез водорода , комбинация для образования более тяжелых атомов, высвобождает энергию, как и деление урана, разбивая более крупное ядро ​​на более мелкие части. Стабильность варьируется между изотопами: изотоп U-235 гораздо менее стабилен, чем более распространенный U-238 .

Ядерная энергия высвобождается в результате трех экзоэнергетических (или экзотермических ) процессов:

• Радиоактивный распад , при котором нейтрон или протон в радиоактивном ядре спонтанно распадаются, испуская либо частицы, либо электромагнитное излучение (гамма-лучи), либо то и другое вместе. Обратите внимание, что для радиоактивного распада нет строгой необходимости в увеличении энергии связи. Что строго необходимо, так это уменьшение массы. Если нейтрон превращается в протон, а энергия распада меньше 0,782343 МэВ, разница между массами нейтрона и протона, умноженная на квадрат скорости света (например, рубидий-87 распадается до стронция-87 ), средняя энергия связи на нуклон фактически уменьшится.
• Слияние , два атомных ядра сливаются вместе, образуя более тяжелое ядро
• Деление , разбиение тяжелого ядра на два (реже - три) более легких ядра.

Энергия связи для атомов [ править ]

Энергия связи атома (включая его электроны) отличается от энергии связи ядра атома. Измеренный дефицит массы изотопов всегда указывается как дефицит массы нейтральных атомов этого изотопа, и в основном в МэВ . Как следствие, перечисленные дефициты массы являются мерой стабильности или энергии связи не отдельных ядер, а целых атомов. Это имеет очень практические причины, потому что очень трудно полностью ионизировать тяжелые элементы, то есть лишить их всех электронов .

Эта практика полезна и по другим причинам: удаление всех электронов из тяжелого нестабильного ядра (в результате чего получается голое ядро) изменяет время жизни ядра, или же ядро ​​стабильного нейтрального атома может также стать нестабильным после удаления, указывая на то, что ядро нельзя лечить самостоятельно. Примеры этого были показаны в экспериментах по β-распаду в связанном состоянии, проведенных на ускорителе тяжелых ионов GSI . ^{[18] [19]} Это также очевидно из таких явлений, как захват электронов . Теоретически в орбитальных моделях тяжелых атомов электрон вращается частично внутри ядра (он не вращается по орбите). в строгом смысле слова, но имеет ненулевую вероятность оказаться внутри ядра).

Ядерный распад происходит в ядре, а это означает , что свойства , приписываемые к изменению ядра в случае. В области физики понятие «дефицит массы» как мера «энергии связи» означает «дефицит массы нейтрального атома» (а не только ядра) и является мерой стабильности всего атома.

Кривая энергии связи ядра [ править ]

В периодической таблице элементов наблюдается ряд легких элементов от водорода до натрия, которые обычно демонстрируют возрастающую энергию связи на нуклон по мере увеличения атомной массы . Это увеличение вызвано увеличением сил на нуклон в ядре, поскольку каждый дополнительный нуклон притягивается другими соседними нуклонами и, таким образом, более прочно связан с целым. Гелий-4 и кислород-16 - особенно стабильные исключения из тенденции (см. Рисунок справа). Это потому, что они дважды магические , то есть их протоны и нейтроны заполняют соответствующие ядерные оболочки.

За областью увеличения энергии связи следует область относительной стабильности (насыщения) в последовательности от магния до ксенона . В этой области ядро ​​стало достаточно большим, чтобы ядерные силы больше не полностью эффективно распространялись по его ширине. Притягивающие ядерные силы в этой области по мере увеличения атомной массы почти уравновешиваются отталкивающими электромагнитными силами между протонами по мере увеличения атомного номера .

Наконец, в элементах тяжелее ксенона наблюдается уменьшение энергии связи на нуклон с увеличением атомного номера. В этой области ядерных размеров электромагнитные силы отталкивания начинают преодолевать сильное ядерное силовое притяжение.

На пике энергии связи никель-62 является наиболее прочно связанным ядром (на нуклон), за ним следуют железо-58 и железо-56 . ^[20] Это приблизительная основная причина, по которой железо и никель являются очень распространенными металлами в ядрах планет, поскольку они в большом количестве производятся в качестве конечных продуктов при сверхновых и на заключительных стадиях горения кремния в звездах. Однако это не энергия связи на определенный нуклон (как определено выше), которая определяет, какие именно ядра образуются, потому что внутри звезд нейтроны могут свободно преобразовываться в протоны, чтобы высвободить еще больше энергии на один общий нуклон, если результатом является стабильное ядро ​​с большей долей протонов. Фактически, утверждалось, чтофоторасщепление из ⁶² Ni с образованием ⁵⁶ Fe может быть энергетически возможно в чрезвычайно горячей звезды сердечника, из - за этого бета - распада конверсии нейтронов в протоны. ^[21] Вывод состоит в том, что при давлении и температуре в ядрах крупных звезд энергия высвобождается за счет преобразования всего вещества в ядра ⁵⁶ Fe (ионизированные атомы). (Однако при высоких температурах не вся материя будет находиться в состоянии с наименьшей энергией.) Этот энергетический максимум должен также сохраняться для условий окружающей среды, скажем, T = 298 K и p = 1 атм, для нейтрального конденсированного вещества, состоящего из ⁵⁶Атомы Fe - однако в этих условиях ядрам атомов запрещается сливаться в наиболее стабильное и низкоэнергетическое состояние вещества.

Принято считать, что железо-56 более распространено во Вселенной, чем изотопы никеля, по механистическим причинам, потому что его нестабильный предшественник никель-56 в больших количествах образуется в результате поэтапного наращивания 14 ядер гелия внутри сверхновых звезд, где у него нет времени на распад. прогладить перед тем, как попасть в межзвездную среду в течение нескольких минут, когда взорвется сверхновая. Однако никель-56 затем распадается до кобальта-56 в течение нескольких недель, затем этот радиоизотоп окончательно распадается до железа-56 с периодом полураспада около 77,3 дней. Кривая блеска такого процесса, вызванная радиоактивным распадом, наблюдалась в сверхновых типа II , таких как SN 1987A.. В звезде нет хороших способов создать никель-62 с помощью процессов альфа-присоединения, иначе во Вселенной, вероятно, было бы больше этого высокостабильного нуклида.

Связующая энергия и массы нуклидов [ править ]

Тот факт, что максимальная энергия связи обнаруживается в ядрах среднего размера, является следствием компромисса между эффектами двух противоположных сил, которые имеют разные характеристики дальности. Ядерная сила притяжения ( сильная ядерная сила), который одинаково связывает протоны и нейтроны друг с другом, имеет ограниченный диапазон из-за быстрого экспоненциального убывания этой силы с расстоянием. Однако отталкивающая электромагнитная сила, которая действует между протонами, разделяя ядра, спадает с расстоянием намного медленнее (как обратный квадрат расстояния). Для ядер размером более четырех нуклонов в диаметре дополнительная отталкивающая сила дополнительных протонов более чем компенсирует любую энергию связи, которая возникает между дополнительными добавленными нуклонами в результате дополнительных сильных силовых взаимодействий. Такие ядра становятся все менее прочно связанными с увеличением их размера, хотя большинство из них все еще стабильны. Наконец, ядра, содержащие более 209 нуклонов (более 6 нуклонов в диаметре), слишком велики, чтобы быть стабильными, и подвержены спонтанному распаду на более мелкие ядра.

Ядерный синтез производит энергию, объединяя самые легкие элементы в более тесно связанные элементы (например, водород в гелий ), а ядерное деление производит энергию, расщепляя самые тяжелые элементы (такие как уран и плутоний ) на более тесно связанные элементы (такие как барий и криптон ). Оба процесса производят энергию, потому что ядра среднего размера являются наиболее тесно связанными из всех.

Как видно выше на примере дейтерия, энергии связи ядер достаточно велики, чтобы их можно было легко измерить как относительный дефицит массы в соответствии с эквивалентностью массы и энергии. Энергия связи атома - это просто количество энергии (и массы), высвобождаемой, когда набор свободных нуклонов соединяется вместе, образуя ядро .

Энергия связи ядра может быть вычислена из разницы в массе ядра и суммы масс свободных нейтронов и протонов, составляющих ядро. Как только эта разница масс, называемая дефектом массы или дефицитом массы, известна, формула эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E  =  mc ² может быть использована для вычисления энергии связи любого ядра. Ранние физики-ядерщики называли это значение вычислением «доли упаковки».

Например, атомная единица массы (1 ед.) Определяется как 1/12 массы атома ¹² C, но атомная масса атома ¹ H (который представляет собой протон плюс электрон) равна 1,007825 ед. , Поэтому каждый нуклон в ¹² C теряет в среднем около 0,8% своей массы в виде энергии связи.

Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра [ править ]

Для ядра с A нуклонами, включая Z протонов и N нейтронов, полуэмпирическая формула для энергии связи (BE) на нуклон:

${\displaystyle {\frac {\text{BE}}{A\cdot {\text{MeV}}}}=a-{\frac {b}{A^{1/3}}}-{\frac {cZ^{2}}{A^{4/3}}}-{\frac {d\left(N-Z\right)^{2}}{A^{2}}}\pm {\frac {e}{A^{7/4}}}}$

где коэффициенты задаются следующим образом: ; ; ; ; .${\displaystyle a=14.0}$${\displaystyle b=13.0}$${\displaystyle c=0.585}$${\displaystyle d=19.3}$${\displaystyle e=33}$

Первый член называется вкладом насыщения и гарантирует, что энергия связи, приходящаяся на нуклон, одинакова для всех ядер в первом приближении. Этот термин представляет собой эффект поверхностного натяжения и пропорционален количеству нуклонов, находящихся на поверхности ядра; он наибольший для легких ядер. Термин - кулоновское электростатическое отталкивание; это становится более важным по мере увеличения. Поправка на симметрию учитывает тот факт, что при отсутствии других эффектов наиболее стабильная схема имеет равное количество протонов и нейтронов; это потому, что np-взаимодействие в ядре сильнее, чем nn- или pp-взаимодействие. Термин спаривания является чисто эмпирическим; это + для четно-четных ядер и - для${\displaystyle a}$${\displaystyle -b/A^{1/3}}$${\displaystyle -cZ^{2}/A^{4/3}}$${\displaystyle Z}$${\displaystyle -d(N-Z)^{2}/A^{2}}$${\displaystyle \pm e/A^{7/4}}$нечетно-нечетные ядра . Когда A нечетно, член спаривания тождественно равен нулю.

Примеры значений, выведенных из экспериментально измеренных масс атомных нуклидов [ править ]

В следующей таблице перечислены некоторые энергии связи и значения дефекта массы. ^[22] Обратите внимание, что мы используем 1  u  = (931,494028 ± 0,000023) МэВ. Для расчета энергии связи мы используем формулу Z  ( m _p  +  m _e ) +  N  m _n  -  m _{нуклид,} где Z обозначает количество протонов в нуклидах, а N их количество нейтронов. Возьмем m _p  = (938,2720813 ± 0,0000058) МэВ, m _e  = (0,5109989461 ± 0,000000003) МэВ и m _n  = (939,5654133 ± 0000058) МэВ. ПисьмоA обозначает сумму Z и N (количество нуклидов в нуклиде). Если мы предположим, что эталонный нуклон имеет массу нейтрона (так, чтобы все рассчитанные «полные» энергии связи были максимальными), мы могли бы определить полную энергию связи как разницу от массы ядра, а массу совокупности A свободные нейтроны. Другими словами, это будет ( Z  +  N )  m _n  -  m _нуклид . « Общая энергия связи на нуклон» будет это значение делится на A .

⁵⁶ Fe имеет самую низкую удельную массу для нуклидов из четырех нуклидов, перечисленных в этой таблице, но это не означает, что это самый прочно связанный атом на адрон, если только выбор начальных адронов не является полностью свободным. Железо высвобождает наибольшую энергию, если 56 нуклонам позволено построить нуклид, при необходимости заменяя один на другой. Наивысшая энергия связи на адрон, при этом количество адронов начинается с того же числа протонов Z и общего количества нуклонов A, что и в связанном ядре. , составляет ⁶² Ni. Таким образом, истинное абсолютное значение полной энергии связи ядра зависит от того, из чего нам разрешено построить ядро. Если бы все ядра с массовым числом A могли быть построены из Aнейтронов, тогда ⁵⁶ Fe высвободит наибольшую энергию на нуклон, так как он имеет большую долю протонов, чем ⁶² Ni. Однако, если требуется, чтобы ядра состояли только из того же количества протонов и нейтронов, которое они содержат, то никель-62 является наиболее сильно связанным ядром на нуклон.

Из таблицы выше видно, что при распаде нейтрона, а также при превращении трития в гелий-3 выделяется энергия; следовательно, оно проявляет более сильное связанное новое состояние при измерении относительно массы равного числа нейтронов (а также более легкое состояние на число всех адронов). Такие реакции вызываются не изменениями энергий связи, рассчитанных на основе ранее фиксированных чисел N и Z нейтронов и протонов, а скорее уменьшением общей массы нуклида / на нуклон с реакцией. (Обратите внимание, что приведенная выше энергия связи для водорода-1 - это энергия связи атома, а не энергия связи ядра, которая была бы равна нулю.)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с ядерной энергией связи на Викискладе?