Энергия связи атомных ядер

Дефект массы. Говоря выше о числе протонов и нейтронов в ядре, мы установили, что масса ядра атома равняется сумме масс протонов и нейтронов, образующих ядро. При этом мы исходили из предположения, что масса ядра всегда выражается целым числом, а массы протона и нейтрона, приняли равными единице. В действительности это верно лишь приблизительно. Еще в 1932 г., когда Астон начал работать со своим новым, усовершенствованным масс-спектрографом, он нашел, что массы отдельных изотопов в большинстве случаев несколько отклоняются от целых чисел. Кроме того, и массы протона и нейтрона не равны единице. Если же, приняв во внимание точные величины масс протона и нейтрона, подсчитать, чему должны равняться массы различных ядер, то получается некоторое расхождение с величинами, найденными экспериментальным путем.

Вычислим, например, массу ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. Согласно наиболее точным современ-ным определениям, масса нейтронов равна 1,0089, а масса протона — 1,0076 кислородных единицы. Сумма масс протонов и нейтронов, образующих ядро гелия, равна

2 • 1,0076 + 2•1,0089 = 4,033

тогда как в действительности масса ядра гелия равна 4,003, т. е. на 0,03 кислородных единицы меньше.

Аналогичные результаты получаются при подсчете масс дру-их ядер. Оказывается, что масса ядра всегда меньше массы всех составляющих ядро частиц, т. е. всех протонов и нейтронов, рассматриваемых отделенными друг от друга. Это явление получило название дефекта массы.

Чем же объяснить потерю массы при образовании атомных ядер? Современная физика дает на это следующий ответ. Согласно теории относительности, созданной одним из крупнейших ученых XX века Альбертом Эйнштейном (1879—1955), существует определенная связь между массой и энергией, выражаемая уравнением

Е = тс²

где Е — энергия в эргах; т—масса в граммах; с — скорость света в см/сек (3•10¹⁰).

Отсюда следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное изменение массы,— это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии.

Дефект массы при образовании ядра гелия составляет 0,03 кислородных единицы, а при образовании 1 грамматома гелия 0,03 г. Согласно приведенному выше уравнению это соответствует выделению 0,03 • (3•10¹⁰)² = 2,7•10¹⁹ эргов, или 6,5•10⁸ ккал энергии. Чтобы составить себе представление о колоссальной величине этой энергии, достаточно указать, что она примерно равна этой энергии, которую может дать в течение часа электростанция, равная по мощности Днепрогэсу.

Величина энергии, выделяющейся при образовании данного ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи ядра и характеризует его устойчивость: чем больше величина выделившейся энергии, тем устойчивее ядро.

Энергия связи ядра гелия равна 28 миллионам электрон-вольт.

Если, вычислив энергию связи ядра, разделить ее на общее число частиц (протонов и нейтронов), составляющих ядро, то мы узнаем энергию, приходящуюся в ядре на одну частицу.

Такие расчеты, произведенные в отношении всех ядер, обнаружили замечательный факт: энергия связи, приходящаяся в ядре на одну частицу, приблизительно одинакова для всех ядер и равна 7—8 млн. электрон-вольт. Таким образом, каждая частица увеличивает энергию связи ядра на одну и ту же величину. Следовательно, как протон, так и нейтрон связаны в ядре одинаково прочно, т. е. ядерные силы проявляются одинаково как по отношению к протону, так и по отношению к нейтрону.

266 267 268

Вы читаете, статья на тему Энергия связи атомных ядер