Энергия связи ядра - Nuclear binding energy

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Энергия связи ядер»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Октябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Товары  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Число Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Майер  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Ąwitecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

Энергия связи ядра это минимум энергия что потребуется для разборки ядро из атом на составные части. Эти составные части нейтроны и протоны, которые вместе называются нуклоны. Энергия связи всегда является положительным числом, так как нам нужно тратить энергию на перемещение этих нуклонов, притягиваемых друг к другу сильная ядерная сила, подальше друг от друга. В масса атомного ядра меньше, чем сумма индивидуальных масс свободного составляющая протоны и нейтроны, согласно уравнению Эйнштейна E = mc². Эта «недостающая масса» известна как массовый дефект, и представляет собой энергию, которая была высвобождена 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 новый энергия связи доступен при слиянии легких ядер (термоядерная реакция ), или при расщеплении тяжелых ядер (ядерное деление ), любой процесс может привести к высвобождению этой энергии связи. Эта энергия может быть доступна как ядерная энергия и может использоваться для производства электроэнергии, как в атомная энергия, или в ядерное оружие. Когда большое ядро раскол на части, избыточная энергия испускается в виде фотона (гамма-лучи) и в виде кинетической энергии ряда различных выброшенных частиц (ядерное деление товары).

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

Дефект массы ядра представляет собой количество массы, эквивалентное энергии связи ядра (E = mc²), что составляет разницу между масса ядра и сумма индивидуальных масс нуклонов, из которых он состоит.^[2]

Вступление

Энергия связи ядер объясняется основными принципами ядерной физики.

Ядерная энергия

Поглощение или высвобождение ядерной энергии происходит в ядерные реакции или же радиоактивный распад; те, которые поглощают энергию, называются эндотермический реакции и те, которые высвобождают энергию, экзотермический реакции. Энергия потребляется или высвобождается из-за различий в энергии связи ядра между входящими и исходящими продуктами ядерной трансмутации.^[3]

Наиболее известными классами экзотермических ядерных превращений являются: деление и слияние. 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 выделяется при атомном синтезе, когда свет ядра подобно 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

Электроны и ядра удерживаются вместе электростатическое притяжение (негатив привлекает позитив). Кроме того, электроны иногда разделяется соседними атомами или переданы им (процессами квантовая физика ); эта связь между атомами называется химическая связь и отвечает за формирование всех химические соединения.^[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. Установлено, что обязательная нейтроны к ядрам явно требует неэлектрического притяжения.^[4]

Следовательно, другая сила, названная ядерная сила (или же остаточная сильная сила) держит нуклоны ядер вместе. Эта сила - остаток сильное взаимодействие, который 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 сила тяжести или электрические силы, 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 обычных водород - например, в воздушном шаре, наполненном водородом, - не соединяются с образованием гелий (процесс, который также потребовал бы, чтобы некоторые протоны объединялись с электронами и становились нейтроны ). Они не могут подобраться достаточно близко, чтобы ядерная сила, привлекающая их друг к другу, стала важной. Только в экстремальных условиях давление и температура (например, в ядре звезда ), может ли такой процесс иметь место.^[5]

Физика ядер

Есть около 94 встречающихся в природе элементы на земле. В атомы каждого элемента имеют ядро содержащие определенное количество протоны (всегда одно и то же число для данного элемента) и некоторое количество нейтроны, что часто примерно такое же число. 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 радиоактивный распад 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 и с углеродом, азотом и кислородом. Например, ядро ​​углерода немного легче трех ядер гелия, которые могут объединиться в ядро ​​углерода. Эта разница известна как дефект массы.

Массовый дефект

Дефект массы (также называемый «дефицит массы») - это разница между массой объекта и суммой масс составляющих его частиц. Обнаружил Альберт Эйнштейн в 1905 г. это можно объяснить с помощью его формулы E = MC², который описывает эквивалентность энергии и массы. Уменьшение массы равно энергии, выделяемой в реакции создания атома, деленной на c².^[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). Ядро гелия имеет четыре связанных нуклона, а энергия связи который удерживает их вместе, фактически составляет 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 необходимо ввести энергию для разделить систему частиц на компоненты, тогда начальная масса будет меньше массы компонентов после их разделения. В последнем случае введенная энергия «сохраняется» в виде 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 = Δм c² для каждого ядра, где Δм - 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 утюг /никель. Для более тяжелых ядер требуется больше энергии, чтобы связать их, и эта энергия может быть высвобождена, разбивая их на фрагменты (известные как деление атома ). 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, - это растущий положительный заряд ядер, который имеет тенденцию заставлять ядра распадаться. Ему противостоит сильное ядерное взаимодействие, который скрепляет нуклоны. 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. Тем временем полоний достигнуто (84 протона), ядра больше 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. периодическая таблица ). Изотопы помимо урана (атомный номер 92) с наибольшим периодом полураспада - это плутоний-244 (80 миллионов лет) и кюрий-247 (16 миллионов лет).

Солнечная энергия связи

В термоядерная реакция Процесс работает следующим образом: пять миллиардов лет назад новое Солнце сформировалось, когда гравитация стянула огромное облако водород и пыль, из которой произошли Земля и другие планеты. Гравитационное притяжение высвободило энергию и нагрело раннее Солнце, во многом Гельмгольца предложил.^[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 переместили их в ближний диапазон притяжения ядерная сила, 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, изучение управляемый ядерный синтез, 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

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 весом более утюг (ядро с 26 протонами) процесс синтеза больше не выделяет энергию. 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]

С ядрами элементов тяжелее вести электрическое отталкивание настолько велико, что некоторые из них самопроизвольно выбрасывают положительные фрагменты, обычно ядра гелия, образующие очень стабильные комбинации (альфа-частицы ). Этот спонтанный разрыв - одна из форм радиоактивность выставлены некоторые ядра.^[5]

Ядра тяжелее свинца (кроме висмут, торий, и уран ) спонтанно распадаются слишком быстро, чтобы появиться в природе как первоэлементы, хотя они могут быть произведены искусственно или в качестве промежуточных продуктов в цепочки распада из более тяжелых элементов. Как правило, чем тяжелее ядра, тем быстрее они самопроизвольно распадаются.^[5]

Ядра железа - самые стабильные ядра (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. Как вариант, можно разбить самые тяжелые - ядра урана или плутония - на более мелкие фрагменты, и именно это ядерные реакторы делать.^[5]

Энергия связи ядра

Примером, иллюстрирующим энергию связи ядра, является ядро ¹²C (углерод-12), содержащий 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 измерили массы ядер, которые всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, образующих их, а разницу - по формуле E = м c²- дает энергию связи ядра.^[14]

Термоядерная реакция

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. Достаточно горячий водород для соединения с гелием требует огромного давления, чтобы удерживать его в замкнутом пространстве, но подходящие условия существуют в центральные регионы Солнца, где такое давление обеспечивается огромным весом слоев над ядром, прижатых внутрь сильной гравитацией Солнца. 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. Эксперименты по синтезу также полагаются на 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 приближения к нему распадом

В основном изотопы легких ядер, таких как углерод, азот и кислород, наиболее стабильная комбинация нейтронов и протонов возникает, когда их 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. Утюг-56 (⁵⁶Fe) - наиболее эффективно связанное ядро^[14] это означает, что он имеет наименьшую среднюю массу на нуклон. Тем не мение, никель-62 является наиболее сильно связанным ядром с точки зрения энергии связи на нуклон.^[15] (Более высокая энергия связывания никеля-62 не приводит к большей средней потере массы, чем ⁵⁶Fe, потому что ⁶²Ni имеет немного более высокое отношение нейтронов к протонам, чем железо-56, а присутствие более тяжелых нейтронов увеличивает среднюю массу 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 слабой силой и включают типы бета-распад. 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 масс между родительской и дочерней меньше, чем это, богатое протонами ядро ​​все еще может преобразовывать протоны в нейтроны в процессе захват электронов, в котором протон просто электрон 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 куски ядра, обычно в виде альфа-частицы, состоящий 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 ²³⁸U, 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 процессе звездной эволюции, например, взрывах сверхновых. ^[16] предшествующие 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 дает дочерние изотопы, которые также нестабильны, начиная с цепь распадов что заканчивается некоторым стабильным изотопом свинца.^[14]

Расчет энергии связи ядра

Расчет может быть использован для определения ядерной энергии связи ядер. Расчет включает определение массовый дефект, преобразовывая ее в энергию и выражая результат в виде энергии на моль атомов или энергии на нуклон.^[2]

Преобразование дефекта массы в энергию

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

Ядерная энергия высвобождается при расщеплении (делении) или слиянии (синтезе) ядра из атом (s). Конверсия ядерной масса -энергия в форму энергии, которая может удалить некоторую массу, когда энергия удаляется, согласуется с эквивалентность массы и энергии формула:

ΔE = Δм c²,

в котором,

ΔE = выделение энергии,

Δм = массовый дефект,

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

Ядерная энергия была впервые открыта Французский физик Анри Беккерель в 1896 году, когда он обнаружил, что фотопластинки, хранящиеся в темноте рядом с уран были почернели как рентгеновский снимок пластины (рентгеновские лучи были открыты недавно, в 1895 году).^[17]

Никель-62 имеет самую высокую энергию связи на нуклон любой изотоп. 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.График показывает это слияние водород комбинация, образующая более тяжелые атомы, высвобождает энергию, как и деление урана, разбивая более крупное ядро ​​на более мелкие части. Стабильность варьируется между изотопами: изотоп U-235 гораздо менее стабильный, чем более распространенный U-238.

Ядерную энергию выделяют три экзоэнергетический (или же экзотермический ) процессы:

• Радиоактивный распад, где нейтрон или протон в радиоактивный ядро самопроизвольно распадается, испуская либо частицы, либо электромагнитное излучение (гамма-лучи) или и то, и другое. 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 (например, рубидий-87 распадаясь на стронций-87 ) средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, действительно 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

Энергия связи атома (включая его электроны) отличается от энергии связи ядра атома. Измеренный дефицит массы изотопы всегда указываются как массовый дефицит нейтральный атомы 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, т.е. лишить их всех электроны.

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 показаны в β-распад связанного состояния эксперименты, проведенные на GSI ) ускоритель тяжелых ионов.^[18][19] Это также очевидно из таких явлений, как захват электронов. Теоретически в орбитальный модели тяжелых атомов, электрон вращается частично внутри ядра (это не орбита в строгом смысле слова, но имеет ненулевую вероятность оказаться внутри ядра).

А ядерный распад происходит с ядром, что означает, что свойства, приписываемые ядру, изменяются в этом событии. 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

в периодическая таблица элементов, серия световых элементов из водород вплоть до натрий наблюдается увеличение энергии связи на нуклон по мере увеличения атомная масса увеличивается. 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 вдвойне магия, что означает, что их протоны и нейтроны заполняют свои соответствующие ядерные оболочки.

За областью увеличения энергии связи следует область относительной стабильности (насыщения) в последовательности от магний через ксенон. 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, поскольку атомный номер увеличивается.

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 сильно связанным ядром (на нуклон), за которым следует железо-58 и железо-56.^[20] Это приблизительная основная причина того, почему железо и никель являются очень распространенными металлами в ядрах планет, поскольку они производятся в большом количестве как конечные продукты в сверхновые и на завершающих этапах сжигание 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, что фотодезинтеграция из ⁶²Ni для образования ⁵⁶Fe может быть энергетически возможным в чрезвычайно горячем ядре звезды из-за преобразования нейтронов в протоны при бета-распаде.^[21] Делается вывод, что при условиях давления и температуры в ядрах крупных звезд энергия выделяется за счет преобразования всего вещества в ⁵⁶Ядра Fe (ионизированные атомы). (Однако при высоких температурах не вся материя будет находиться в состоянии с наименьшей энергией.) Этот энергетический максимум должен также соблюдаться для условий окружающей среды, например Т = 298 К и п = 1 атм, для нейтральной конденсированной среды, состоящей из ⁵⁶Атомы Fe - однако в этих условиях ядрам атомов запрещается сливаться в наиболее стабильное и низкоэнергетическое состояние вещества.

Обычно считается, что железо-56 более распространено во Вселенной, чем изотопы никеля, по механистическим причинам, потому что его нестабильный предшественник никель-56 Обильно создается путем поэтапного наращивания 14 ядер гелия внутри сверхновых, где у него нет времени распасться на железо, прежде чем он будет выпущен в межзвездную среду в течение нескольких минут, когда сверхновая звезда взорвется. Однако никель-56 затем распадается на кобальт-56 в течение нескольких недель этот радиоизотоп окончательно распадается до железа-56 с периодом полураспада около 77,3 дней. Кривая блеска такого процесса, вызванная радиоактивным распадом, наблюдалась в сверхновые типа II, Такие 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

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 связывает протоны и нейтроны в равной степени друг с другом, имеет ограниченный диапазон из-за быстрого экспоненциального уменьшения 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.

Термоядерная реакция производит энергию, объединяя самые легкие элементы в более тесно связанные элементы (например, водород в гелий ), и ядерное деление производит энергию, расщепляя самые тяжелые элементы (например, уран и плутоний ) в более тесно связанные элементы (например, 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 дробные. масса дефицит, согласно эквивалентности массы и энергии. Энергия связи атома - это просто количество энергии (и массы), высвобождаемой, когда набор свободных нуклоны соединены вместе, чтобы сформировать ядро.

Энергию связи ядра можно вычислить 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, Эйнштейн эквивалентность массы и энергии формула E = MC² можно использовать для вычисления энергии связи любого ядра. Ранние физики-ядерщики называли это значение вычислением «доли упаковки».

Например, атомная единица массы (1 u) определяется как 1/12 массы ¹²Атом C, но атомная масса ¹Атом H (который представляет собой протон плюс электрон) равен 1.007825 ты, поэтому каждый нуклон в ¹²C потерял в среднем около 0,8% своей массы в виде энергии связи.

Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра

Для ядра с А нуклоны, в том числе Z протоны и N нейтроны, а полуэмпирическая формула для энергии связи (BE) на нуклон составляет:

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

где коэффициенты определяются как: ${ displaystyle a = 14,0}$; ${ displaystyle b = 13,0}$; ${ displaystyle c = 0,585}$; ${ displaystyle d = 19,3}$; ${ displaystyle e = 33}$.

Первый срок ${ displaystyle a}$ называется вкладом насыщения и гарантирует, что энергия связи, приходящаяся на нуклон, одинакова для всех ядер в первом приближении. Период, термин ${ displaystyle -b / A ^ {1/3}}$ - эффект поверхностного натяжения и пропорционален количеству нуклонов, находящихся на поверхности ядра; он наибольший для легких ядер. Период, термин ${ displaystyle -cZ ^ {2} / A ^ {4/3}}$ - кулоновское электростатическое отталкивание; это становится более важным, поскольку ${ displaystyle Z}$ увеличивается. Член поправки на симметрию ${ Displaystyle -d (Н-Я) ^ {2} / А ^ {2}}$ учитывает тот факт, что при отсутствии других эффектов наиболее стабильная схема имеет равное количество протонов и нейтронов; это потому, что n-p взаимодействие в ядре сильнее, чем n-n или p-p взаимодействие. Срок спаривания ${ displaystyle pm e / A ^ {7/4}}$ чисто эмпирический; это + для четно-четных ядер и - для нечетно-нечетные ядра. Когда A нечетно, член спаривания тождественно равен нулю.

Графическое представление полуэмпирической формулы энергии связи. Энергия связи на нуклон в МэВ (наибольшие числа выделены желтым цветом, превышающие 8,5 МэВ на нуклон) для различных нуклиды как функция Z, то атомный номер (ось Y), vs. N, количество нейтроны (ось абсцисс). Самые высокие цифры видны для Z = 26 (железо).

Примерные значения, полученные из экспериментально измеренных масс атомных нуклидов

В следующей таблице перечислены некоторые энергии связи и значения дефекта массы.^[22] Также обратите внимание, что мы используем 1ты = (931,494028 ± 0,000023) МэВ. Для расчета энергии связи воспользуемся формулой Z (м_п + м_е) + N м_п − м_нуклид куда Z обозначает количество протонов в нуклидах и N их количество нейтронов. Мы принимаемм_п = (938,2720813 ± 0,0000058) МэВ, м_е = (0,5109989461 ± 0,000000003) МэВ и м_п = (939,5654133 ± 0000058) МэВ. Письмо А 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 разность массы ядра и массы совокупности ядер. А свободные нейтроны. Другими словами, это будет (Z + N) м_п − м_нуклид. "общий энергия связи на нуклон "будет это значение, разделенное на А.

⁵⁶Fe имеет наименьшую удельную массу нуклида 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 выделяет 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 полные нуклоны А как и в связанном ядре, ⁶²Ni. Таким образом, истинное абсолютное значение полной энергии связи ядра зависит от того, из чего нам разрешено построить ядро. Если все ядра массового числа А должны были быть построены из А нейтроны, то ⁵⁶Fe выделял бы больше всего энергии на нуклон, так как в нем доля протонов больше, чем у ⁶²Ni. Однако, если требуется, чтобы ядра состояли 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 не связаны с изменениями энергий связи, рассчитанными по ранее установленным значениям. N и Z количество нейтронов и протонов, а скорее в уменьшении 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.)

Рекомендации

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Энергия связи ядра в Wikimedia Commons