ФИЗИКА, ГРУППА № 36, 05.10.2020 г.
Занятие № 11
Тема: Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.
Цель: изучить понятие атомного ядра, элементарные частицы, дать определение энергии связи и дефекта массы.
План:
1. Атомное ядро.
2. Протоны и нейтроны.
3. Ядерные силы, особенности ядерных сил.
4. Энергия связи атомного ядра.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Атомное ядро – тело малых размеров, находящееся внутри атома, в котором сконцентрирована вся масса атома и весь положительный заряд. Ядро имеет форму шара R ≈ 10-15 м, в нем сконцентрировано приблизительно 99,96% всей массы атома, ρ = 2,7∙1017 кг/м³.
Число протонов в ядре обозначается буквой Z и равно количеству электронов в атомной оболочке, т.е. равно также порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева.
Количество нейтронов обозначается буквой N и равно разности массового числа А и количества протонов Z. 
Характеристики химических элементов. 714N + 24He = 817О +11Н
A - общее число нуклонов – массовое число; Z – число протонов в ядре – зарядовое число
Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
Электро́н - -11e стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества, античастица — позитрон. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). Длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы. время жизни не менее 6,6·1028 лет. Заряд электрона неделим и равен qp= −1,6021766208(98)·10−19 Кл, Масса электрона равна mе= 9,10938356(11)·10−31 кг.
Нейтрон - - 10 n, нестабильная частица, не имеющая электрического заряда q=0, (за 15 мин распадающаяся на протон, электрон и нейтрино).
Масса нейтрона чуть побольше mn =1,674 927 471·10−27 кг, или 1 а.е.м., символ - 10 n. При попадании α-частиц в ядра бериллия происходит реакция 94 Be + 42 He = 126 C +10 n. время жизни вне ядра 15 мин, m=1838,7me
Протон – +11 p, стабильная частица. Масса покоя протона равна mp = 1,67262·10-27кг, время жизни 10³¹ лет, m = 1836,2me, qp = +e, имеющая положительный заряд q = 1, равный по модулю элементарному отрицательному заряду электрона e = 1,60217733·10–19 Кл, (проверено с точностью 10–22),
равенство зарядов протона и электрона. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.
Масса частицы в рамках ядерной физики принимает иной вид, единицей измерения ее является а.е.м. А.е.м. - атомная единица массы. Одна а.е.м. равняется 1/12 массы атома углерода, массовое число которого равняется 12. Отсюда 1 атомная единица массы равна 1,66057·10–27 кг. Масса протона, следовательно, выглядит следующим образом: mp = 1,007276 а. е. м. Существует еще один способ выразить массу этой положительно заряженной частицы, используя иные единицы измерения. Для этого сначала нужно принять как аксиому эквивалентность массы и энергии E=mc2. Где с - скорость света, а m - масса тела. Масса протона в данной случае будет измеряться в мегаэлектрон*вольтах или МэВ. Такая единица измерения используется исключительно в ядерной и атомной физике и служит для измерения той энергии, что необходима для переноса частицы между двумя точками в электростатическом поле. С тем условием, что разница потенциалов между этими точками равна 1 Вольту. Учитывая, что 1 а.е.м. = 931,494829533852 МэВ, масса протона равна приблизительно mp=938 МэВ.
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.
Особенности ядерных сил: Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.
Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер,проявляются на расстоянии 10-14 - 10-15 м.Ядерные силы очень быстро уменьшаются с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра – концентрация и очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Закрепление. З адачи: Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядрах следующих элементов:
11 Na23 A = 23 N = 23 – 11 = 12 Z = 11
11Na21 A = 21 N = 21 – 11 = 9 Z = 11
4B 9 A = 9 N = 9 – 4 = 5 Z = 4
Ядерные силы – силы, которые действуют между нуклонами на расстояниях, сравнимыми с размерами самих ядер, и препятствуют взаимному электростатическому отталкиванию между протонами в ядре. Следовательно, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, не взаимодействующие между собой, необходимо совершить работу по преодолению ядерных сил. Другими словами, сообщить ядру определённую энергию.
Так вот, минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем она больше, тем стабильнее ядро. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Самый простой способ определения энергии связи основан на одном замечательном законе природы, устанавливающим соотношение между массой тел и их энергией. Из этого закона следует, что изменение массы тела влечёт за собой изменение энергии этого тела. При этом даже ничтожному изменению массы тела соответствует значительное изменение энергии.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. С изобретением масс-спектрографов физики получили возможность измерять массы микрочастиц с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:
М я < Zmр + Nmn.
Разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра, называют дефектом массы:
Δ M = Zmр + Nmn – М я.
В качестве примера рассмотрим ядро атома гелия-4. Это химический элемент 18-й группы первого периода системы химических элементов Менделеева, с атомным номером два.
В соответствии с соотношением Эйнштейна между массой и энергией, дефект массы характеризует энергию связи атомного ядра:
E св = Δ Mс 2 = (Zmр + Nmn – М я) с 2.
Обращаем ваше внимание на то, что при использовании данной формулы, массу входящих в неё частиц следует выражать в килограммах. Тогда значение полученной энергии связи будет выражено в джоулях. Здесь же обратим ваше внимание на то, что энергия связи ядра намного порядков превышает энергию связи электронов с атомом (энергию ионизации). Поэтому при расчётах энергию связи электронов с атомом обычно не учитывают.
Ещё одной важной характеристикой в ядерной физике является удельная энергия связи. Так называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу:
приходящуюся на один нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу:
Соответственно, чем больше значение удельной энергии связи, тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, и тем прочнее ядро.
Энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в процессе таких ядерных реакций, можно определить, если известны массы взаимодействующих и образующихся в результате этого взаимодействия ядер и частиц. Эту энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции. При этом, если в процессе ядерной реакции энергия выделяется, то реакцию называют экзотермической, если же энергия поглощается — то эндотермической:
∆𝐸 = 𝐸0 – 𝐸.
Основная литература по теме урока:
1) Учебник «Физика 11» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, М. «Просвещение»
2) интернет ресурсы