Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Состав и характеристики атомного ядра






Атомное ядро характеризуется положительным зарядом + Z e, где Z– зарядовое число, равное числу протонов в ядре (а также числу электронов в атоме). Так, атом водорода (Z=1) состоит из одного электрона и одного протона. Число Zопределяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и Z также называют атомным номером ядра. Кроме протонов, в состав ядра входят электрически нейтральные нейтроны. Частицы, составляющие ядро атома, (т.е. протоны и нейтроны) называются нуклонами. Сумма нейтронов и протонов называется массовым числом – А. Для обозначения ядер применяется символ (Х – химический символ элемента в таблице Менделеева).

Ядра с одинаковыми Z, но с разными А, называются изотопами. Например, водород имеет три изотопа, различающиеся числом нейтронов в ядре:

Протон: масса mp = 1836 me, спин (собственный механический момент импульса) S=1/2. Т.к. масса электрона me = 0, 511 МэВ,
то mp = 938, 28 МэВ (согласно формуле Е = mс 2 ).

Нейтронmn = 1839 me, или mn = 939, 57 МэВ , спин S=1/2.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская при этом в электрон и антинейтрино согласно реакции:

.

Период полураспада нейтрона приближенно равен 12 мин.

В первом приближении ядро можно считать шаром. Радиус ядра любого химического элемента довольно точно определяется формулой:

R = (1, 3 1, 7)·10-15 A1/3 м,

где А – массовое число. Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов, т.е. плотность ядерного вещества для разных химических элементов одинакова.

Экспериментальные данные показывают, что большинство ядер имеет массу, меньшую, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра обусловлено тем, что при образовании ядра выделяется энергия. Введем понятие энергии связи ядра – это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разложить данное ядро на составляющие его частицы (протоны и нейтроны). Это же количество энергии должно выделиться при образовании ядра из протонов и нейтронов.

Пусть в ядре содержится Z протонов и N нейтронов. Тогда, учитывая, что энергия покоя частицы E0=mc2, энергия связи ядра рассчитывается по формуле:

Величина

называется дефектом массы ядра. Это величина прямого физического смысла не имеет, но косвенно характеризует энергию связи ядер и позволяет вычислять энергию связи.

Энергия связи , приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивы ядра, у которых число протонов равно одному из магических чисел (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Особенно стабильны дважды магические ядра (), у которых число протонов и число нейтронов равны по отдельности магическим числам. Чем больше энергия связи, тем устойчивее ядро.

График зависимости удельной энергии связи от массового числа А показан на рис. 40.

 

40 80
А

Рис. 40. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

 

Наиболее устойчивые ядра с массовыми числами А из середины таблицы Менделеева (от 40 до 80) – для них . С ростом А удельная энергия связи уменьшается. Для самого тяжелого элемента урана (μ = 240 г/моль) .

Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает возможным два процесса:

1. Деление тяжелых ядер на несколько легких ядер.

2. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.

Оба процесса должны проходить с выделением огромной энергии. Из графика видно, что существование ядер с массовым числом 50-60 является энергетически наиболее выгодным. Почему же тогда более тяжелые ядра самопроизвольно не распадаются? Дело в том, что процесс деления тяжелых ядер на несколько больших ядер должен пройти промежуточную стадию, сопровождающуюся поглощением энергии извне, с последующим её выделением, т.е. нужна внешняя энергия и очень значительная. Без её наличия процесс деления происходить не может (энергия активации за счет нейтронов – атомная бомба, реакторы).

При слиянии легких ядер, например, двух ядер водорода в одно ядро выделяется энергия 24 МэВ. [для сравнения, при сжигании угля (химическая реакция: образование С и О углекислого газа) выделяется энергия всего в 5 эВ (!!!)]. Для осуществления реакции синтеза ядер нужны огромные энергии, поскольку ядра необходимо сдвигать на расстояние ~10-15 м, преодолевая кулоновское отталкивание. Это возможно лишь при огромных скоростях движения ядер (что достигается при температурах Т~107 К) и на Земле для этого есть только один путь – термоядерная реакция.

В 1919 году Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция:

,

что было доказано получением кислорода в баллоне.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.