Дефект маси і енергія зв’язку ядра

Дослідження показують, що атомні ядра є стійкими утвореннями. Це означає, що в ядрі між нуклонами існує певний зв'язок.

Масу ядер дуже точно можна визначити за допомогою мас-спектрометрів - з вимірювального приладів, які поділяють за допомогою електричних і магнітних полів пучки заряджених частинок (зазвичай іонів) з різними питомими зарядами Q / m.Macc-спектрометричні вимірювання показали, що маса ядра менше, ніж сума мас складових його нуклонів. Але так як і кожному зміни маси (див. § 40) має відповідати зміна енергії, то, отже, при утворенні ядра повинна виділятися певна енергія. Із закону збереження енергії випливає і зворотне: для поділу ядра на складові частини необхідно затратити таку ж кількість енергії, що виділяється при його утворенні. Енергія, яку необхідно затратити, щоб розщепити ядро ​​на окремі нуклони, називається енергією зв'язку ядра (див. § 40).

Згідно зі слів (40.9), енергія зв'язку нуклонів в ядрі

де тр. Тn. тя - відповідно маси протона, нейтрона і ядра. У таблицях зазвичай призводить не маси т, ядер, а маси т атомів. Тому для енергії зв'язку ядра користуються формулою

де mн - маса атома водню. Так як mн більше mp на величину mе, то перший член в квадратних дужках включає в себе масу Z електронів. Але так як маса атома mотлічается від маси ядра MЯ якраз на масу Z електронів, то обчислення за формулами (252.1) і (252.2) призводять до однакових результатів. величина

називається дефектом маси ядра. На цю величину зменшується маса всіх нуклонів при утворенні з них атомного ядра.

Часто замість енергії зв'язку 'розглядають питому енергію зв'язку 8Еа - енер гію зв'язку, віднесену до одного нуклони. Вона характеризує стійкість (міцність) атомних ядер, т. Е. Чим більше dЕсв, тим стійкіше ядро. Питома енергія зв'язку залежить від масового числа А елемента (рис. 342). Для легких ядер (A £ 12) питома енергія зв'язку круто зростає до 6¸7 МеВ, зазнаючи цілий ряд стрибків (наприклад, для 2 1 H dЕсв = 1,1МеВ, для 2 4 He - 7,1 МеВ, для 6 3 Li - 5,3 МеВ), потім більш повільно зростає до максимальної величини 8, 7 МеВ у елементів з A = 50¸60, а потім поступово зменшується у важких елементів (наприклад, для 238 92 U вона становить 7,6 МеВ). Відзначимо для порівняння, що енергія зв'язку валентних електронів в атомах становить приблизно 10 еВ (в 10 б. Разів менше).

Зменшення питомої енергії зв'язку при переході до важких елементів пояснюється тим, що зі зростанням числа протонів в ядрі збільшується і енергія їх кулонівського відштовхування. Тому зв'язок між нуклонами стає менш сильною, а самі ядра менш міцними.

Найбільш стійкими виявляються так звані магічні ядра, у яких число протонів або число нейтронів дорівнює одному з магічних чисел: 2, 8, 20,28, 50, 82, 126. Особливо стабільні двічі магічні ядра, у яких магічними є і число протонів, і число нейтронів (цих ядер налічується всього п'ять 2 4 He, 16 8 O, 40 20 Ca, 48 20 Ca, 208 82 Ru.

З рис. 342 випливає, що найбільш стійкими з енергетичної точки зору є ядра середньої частини таблиці Менделєєва. Важкі і легкі ядра менш стійкі. Це означає, що енергетично вигідні такі процеси: 1) поділ важких ядер на більш легкі; 2) злиття легких ядер один з одним в більш важкі. При обох процесах виділяється величезна кількість енергії; ці процеси в даний час здійснено практично: реакції поділу і термоядерні реакції.