m я завжди менше суми мас входять до нього частинок). Це обумовлено тим, що при об'єднанні нуклонів в ядро ??виділяється енергія зв'язку нуклонів один з одним. Енергія зв'язку Е cв дорівнює тій роботі, яку потрібно здійснити, щоб розділити утворюють ядро ??нуклони і видалити їх один від одного на такі відстані, при яких вони практично не взаємодіють один з одним. Таким чином, енергія ядра менше енергії системи невзаимодействующих нуклонів на величину, равнуюЕ cв. Відповідно до закону взаємозв'язку маси і енергії
зменшення енергії тіла на повинно супроводжуватися еквівалентним зменшенням маси тіла на. Отже, енергія зв'язку нуклонів в ядрі дорівнює:
Е cв=с 2 {[Zm p + (А - Z) mn] - m я}. (2.1)
Це співвідношення практично не порушиться, якщо замінити масу протона mp масою атома водню m H, а масу ядра m я масою атома ma .Дійсно, якщо знехтувати порівняно незначною енергією зв'язку електронів з ядрами, зазначена заміна означатиме додавання до зменшуваного і від'ємника виразу, що стоїть у фігурних дужках, однакової величини, равнойZm e .Отже, вираженню (2.1) можна надати вигляду:
Е cв=с 2 {[Zm H + (А - Z) mn] - ma}. (2.2)
Останнє співвідношення зручніше, ніж (2.1), тому що в таблицях даються зазвичай не маси ядер, а маси атомів.
Знайдемо енергію зв'язку нуклонів в ядрі 2 Чи не 4, до складу якого входять два протона (Z=2) і два нёйтрона (A -Z=2). Маса атома 2 Чи не 4 дорівнює 4,00260 а. е. м., чому відповідає 3728,0Мев. Маса атома водню 1 H 1 дорівнює 1,00815 а. е. м. [938,7Мев; (1.1)]. МасАнейтрона дорівнює значенню (1.4). Підставляючи ці величини формулу (2.2), отримаємо
Е св=[2 938,7 + 2 939,5] - 3728,0=28,4Мев.
У розрахунку на один нуклон енергія зв'язку ядра гелію становить 7,1 МеВ). Для порівняння зазначимо, що енергія зв'язку валентних електронів в атомах має величину в10 6 разів меншу (порядку 10ев). Для інших ядер питома енергія зв'язку, т. Е енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон (Е св/А), має приблизно таку ж величину, як у гелію. На рис. 2 зображений графік, що показує залежність св/А від масового числа А. Найсильніше пов'язані нуклони в ядрах з масовими числами близько 50-60 (т. Е для елементів від Сr до Zn). Енергія зв'язку для цих ядер досягає 8,7Мев/нуклон. З ростом А питома енергія зв'язку поступово зменшується; для найважчого природного елементу - урану вона становить 7,5 МеВ/нуклон.Такая залежність питомої енергії зв'язку від масового числа робить енергетично можливими два процеси: 1) поділ важких ядер на декілька більш легких ядер і 2) злиття (синтез) легких ядер в одне ядро.Оба процесу повинні супроводжуватися виділенням великої кількості енергії. Так, наприклад, ділення одного ядра з масовим чісломА=240 (питома енергія зв'язку дорівнює 7,5Мев) на два ядра з масовими числами А=120 (питома енергія зв'язку дорівнює 8,5Мев) призвело б до вивільнення енергії в 240Мев.
Злиття двох ядер важкого водню 1 H 2 в ядро ??гелію 2 Чи не 4 призвело б до виділення енергії, рівний ~ 24Мев. Для порівняння: при з'єднанні одного атома вуглецю з двома атомами кисню (згоряння вугілля до СО 2) виділяється енергія, рівна ~ 5ев.
У зв'язку з тим, що ядра Са ~ 50-60 є енергетично найбільш вигідними, виникає питання: чому ядра з іншими значеннями А виявляються стабільними? Відповідь полягає в наступному. Для того щоб розділитися на кілька частин, важке ядро ??повинно пройти через ряд проміжних станів, енергія яких перевищує енергію основного стану ядра. Отже, для процесу ділення ядру потрібна додаткова енергія (енергія активації), яка потім повертається назад, приплюсовуючи до енергії, що виділяється при діленні за рахунок зміни енергії зв'язку. У звичайних умовах ядру нізвідки взяти енергію активації, внаслідок чого важкі ядра незазнають спонтанного поділу. Енергія активації може бути повідомлена важкого ядру захопленим їм додатковим нейтроном. Процес поділу ядер урану або плутонію під дією захоплюваних ядрами нейтронів лежить в основі дії ядерних реакторів і звичайної атомної бомби.
Що стосується легких ядер, то для злиття їх в одне ядро ??вони повинні підійти один до одного на вельми близьку відстань (~ 10 - 13 см). Такому зближенню ядер перешкоджає кулонівське відштовхування між ними. Для того щоб подолати це відштовхування, ядра повинні рухатися з величезними швидкостями, відповідними температурам порядку декількох сот мільйонів градусів. З цієї причини процес синтезу легких ядер називається термоядерною реакцією. Термоядерні реакції протікають в надрах Сонця і зірок. У земних умовах поки були здійснені некеровані термоядерні реакції при вибухах водневих бомб.
. Природа ядерних сил
...
