Úplne ktokoľvek chemická látka pozostáva z určitého súboru protónov a neutrónov. Držia pohromade vďaka tomu, že väzbová energia atómového jadra je prítomná vo vnútri častice.
Charakteristickým znakom jadrových príťažlivých síl je ich veľmi vysoká sila na relatívne malé vzdialenosti (od cca 10 -13 cm). Keď sa vzdialenosť medzi časticami zväčšuje, príťažlivé sily vo vnútri atómu slabnú.
Úvaha o väzbovej energii vo vnútri jadra
Ak si predstavíme, že existuje spôsob, ako postupne oddeliť protóny a neutróny od jadra atómu a umiestniť ich do takej vzdialenosti, že väzbová energia atómového jadra prestane pôsobiť, tak to musí byť veľmi ťažká práca. Aby bolo možné extrahovať jeho zložky z jadra atómu, musíme sa pokúsiť prekonať vnútroatómové sily. Toto úsilie bude smerovať k rozdeleniu atómu na nukleóny, ktoré obsahuje. Preto môžeme usúdiť, že energia atómového jadra je menšia ako energia častíc, z ktorých sa skladá.
Rovná sa hmotnosť vnútroatómových častíc hmotnosti atómu?
Už v roku 1919 sa vedci naučili merať hmotnosť atómového jadra. Najčastejšie sa „váži“ pomocou špeciálnych technických prístrojov nazývaných hmotnostné spektrometre. Princíp činnosti takýchto zariadení spočíva v tom, že sa porovnávajú charakteristiky pohybu častíc s rôznymi hmotnosťami. Okrem toho majú takéto častice rovnaké elektrické náboje. Výpočty ukazujú, že častice, ktoré majú rôznu hmotnosť, sa pohybujú po rôznych trajektóriách.
Moderní vedci s veľkou presnosťou určili hmotnosti všetkých jadier, ako aj ich protóny a neutróny. Ak porovnáme hmotnosť konkrétneho jadra so súčtom hmotností častíc, ktoré obsahuje, ukáže sa, že v každom prípade bude hmotnosť jadra väčšia ako hmotnosť jednotlivých protónov a neutrónov. Tento rozdiel bude približne 1 % pre akúkoľvek danú chemikáliu. Preto môžeme konštatovať, že väzbová energia atómového jadra je 1% jeho pokojovej energie.
Vlastnosti vnútrojadrových síl
Neutróny, ktoré sú vo vnútri jadra, sú od seba odpudzované Coulombovými silami. Ale atóm sa nerozpadne. To je uľahčené prítomnosťou príťažlivej sily medzi časticami v atóme. Takéto sily, ktoré sú iného ako elektrického charakteru, sa nazývajú jadrové. A interakcia neutrónov a protónov sa nazýva silná interakcia.
Stručne povedané, vlastnosti jadrových síl sú nasledovné:
- toto je nezávislosť od poplatkov;
- pôsobenie iba na krátke vzdialenosti;
- ako aj saturácia, ktorá označuje zadržanie len určitého počtu nukleónov blízko seba.
Podľa zákona zachovania energie sa v momente, keď sa jadrové častice spoja, uvoľní energia vo forme žiarenia.
Väzbová energia atómových jadier: vzorec
Pre vyššie uvedené výpočty sa používa všeobecne akceptovaný vzorec:
E St=(Z·mp+(A-Z)·mn-Mja)·c²
Tu pod E St označuje väzbovú energiu jadra; s- rýchlosť svetla; Z-počet protónov; (A-Z) - počet neutrónov; m p označuje hmotnosť protónu; A m n- hmotnosť neutrónov. M i označuje hmotnosť jadra atómu.
Vnútorná energia jadier rôznych látok
Na určenie väzbovej energie jadra sa používa rovnaký vzorec. Väzbová energia vypočítaná podľa vzorca, ako už bolo uvedené, nie je väčšia ako 1% celkovej energie atómu alebo pokojovej energie. Pri bližšom skúmaní sa však ukazuje, že toto číslo pri prechode z látky na látku dosť silno kolíše. Ak sa pokúsite určiť jej presné hodnoty, budú sa líšiť najmä pri takzvaných ľahkých jadrách.
Napríklad väzbová energia vo vnútri atómu vodíka je nulová, pretože obsahuje iba jeden protón Väzbová energia jadra hélia bude 0,74 %. Pre jadrá látky nazývanej trícium bude toto číslo 0,27 %. Kyslík má 0,85%. V jadrách s približne šesťdesiatimi nukleónmi bude energia vnútroatómovej väzby približne 0,92 %. Pre atómové jadrá s väčšou hmotnosťou sa toto číslo postupne zníži na 0,78%.
Na určenie väzbovej energie jadra hélia, trícia, kyslíka alebo akejkoľvek inej látky sa používa rovnaký vzorec.
Typy protónov a neutrónov
Hlavné dôvody takýchto rozdielov možno vysvetliť. Vedci zistili, že všetky nukleóny obsiahnuté vo vnútri jadra sú rozdelené do dvoch kategórií: povrchové a vnútorné. Vnútorné nukleóny sú tie, ktoré sú zo všetkých strán obklopené inými protónmi a neutrónmi. Tí povrchní sú nimi obklopení len zvnútra.
Väzbová energia atómového jadra je sila, ktorá je výraznejšia vo vnútorných nukleónoch. Niečo podobné sa mimochodom deje s povrchovým napätím rôznych kvapalín.
Koľko nukleónov sa zmestí do jadra
Zistilo sa, že počet vnútorných nukleónov je obzvlášť malý v takzvaných ľahkých jadrách. A pre tie, ktoré patria do najľahšej kategórie, sú takmer všetky nukleóny považované za povrchové. Predpokladá sa, že väzbová energia atómového jadra je veličina, ktorá by sa mala zvyšovať s počtom protónov a neutrónov. Ale ani tento rast nemôže pokračovať donekonečna. S určitým počtom nukleónov - a to je od 50 do 60 - vstupuje do hry ďalšia sila - ich elektrické odpudzovanie. Vyskytuje sa dokonca bez ohľadu na prítomnosť väzbovej energie vo vnútri jadra.
Väzbová energia atómového jadra v rôzne látky používajú vedci na uvoľnenie jadrovej energie.
Mnohých vedcov vždy zaujímala otázka: odkiaľ sa berie energia, keď sa ľahšie jadrá spájajú do ťažších? V skutočnosti je táto situácia podobná štiepeniu atómov. V procese fúzie ľahkých jadier, rovnako ako pri štiepení ťažkých, vznikajú vždy jadrá odolnejšieho typu. Na „získanie“ všetkých nukleónov v nich obsiahnutých z ľahkých jadier je potrebné vynaložiť menej energie, ako sa uvoľní, keď sa spoja. Opak je tiež pravdou. V skutočnosti energia fúzie, ktorá pripadá na určitú jednotku hmotnosti, môže byť väčšia ako špecifická energia štiepenia.
Vedci, ktorí študovali procesy jadrového štiepenia
Tento proces objavili vedci Hahn a Strassman v roku 1938. Na berlínskej chemickej univerzite vedci zistili, že v procese bombardovania uránu inými neutrónmi sa mení na ľahšie prvky, ktoré sú v strede periodickej tabuľky.
K rozvoju tejto oblasti poznania výrazne prispela aj Lise Meitner, ku ktorej svojho času pozval Hahn, aby spolu študovali rádioaktivitu. Hahn dovolil Meitnerovej pracovať len pod podmienkou, že svoj výskum bude vykonávať v suteréne a nikdy nepôjde na vyššie poschodia, čo bol fakt diskriminácie. To jej však nezabránilo dosiahnuť významné úspechy vo výskume atómového jadra.
Témy Kódovač jednotnej štátnej skúšky: väzbová energia nukleónov v jadre, jadrové sily.
Atómové jadro sa podľa nukleónového modelu skladá z nukleónov – protónov a neutrónov. Aké sily však držia nukleóny vo vnútri jadra?
Prečo sú napríklad dva protóny a dva neutróny držané pohromade vo vnútri jadra atómu hélia? Koniec koncov, protóny, ktoré sa navzájom odpudzujú elektrickými silami, by sa museli rozletieť rôznymi smermi! Možno táto gravitačná príťažlivosť nukleónov k sebe bráni rozpadu jadra?
Poďme si to overiť. Nech sú dva protóny v určitej vzdialenosti od seba. Nájdite pomer sily ich elektrického odpudzovania k sile ich gravitačnej príťažlivosti:
Náboj protónu je K, hmotnosť protónu je kg, takže máme:
Aká obludná prevaha elektrickej sily! Gravitačná príťažlivosť protónov nielenže nezabezpečuje stabilitu jadra – na pozadí ich vzájomného elektrického odpudzovania nie je vôbec badateľná.
V dôsledku toho existujú ďalšie príťažlivé sily, ktoré držia nukleóny pohromade vo vnútri jadra a svojou veľkosťou prevyšujú silu elektrického odpudzovania protónov. Ide o takzvané jadrové sily.
Jadrové sily.
Doteraz sme v prírode poznali dva typy interakcií – gravitačné a elektromagnetické. Jadrové sily slúžia ako prejav nového, tretieho typu interakcie – silnej interakcie. Nebudeme sa zaoberať mechanizmom vzniku jadrových síl, ale vymenujeme iba ich najdôležitejšie vlastnosti.
1. Jadrové sily pôsobia medzi ľubovoľnými dvoma nukleónmi: protón a protón, protón a neutrón, neutrón a neutrón.
2. Jadrové príťažlivé sily protónov vo vnútri jadra sú približne 100-krát väčšie ako sila elektrického odpudzovania protónov. Silnejšie sily ako jadrové nie sú v prírode pozorované.
3. Jadrové príťažlivé sily sú krátkeho dosahu: ich akčný rádius je asi m Toto je veľkosť jadra – práve v tejto vzdialenosti od seba sa nukleóny držia jadrové sily. Ako sa vzdialenosť zväčšuje, jadrové sily veľmi rýchlo klesajú; ak sa vzdialenosť medzi nukleónmi rovná m, jadrové sily takmer úplne zmiznú.
Vo vzdialenostiach menších ako m sa jadrové sily stávajú silami odpudivými.
Silná interakcia je jednou zo základných – nemožno ju vysvetliť na základe iných typov interakcií. Ukázalo sa, že schopnosť silných interakcií je charakteristická nielen pre protóny a neutróny, ale aj pre niektoré ďalšie elementárne častice; všetky takéto častice sa nazývajú hadróny. Elektróny a fotóny nepatria medzi hadróny – nezúčastňujú sa silných interakcií.
Jednotka atómovej hmotnosti.
Atómové hmotnosti a elementárne častice extrémne malé a ich meranie v kilogramoch je nepohodlné. Preto sa v atómovej a jadrovej fyzike často používa oveľa menšia jednotka – tzv
nazývaná jednotka atómovej hmotnosti (skrátene a.m.u.).
Podľa definície je jednotka atómovej hmotnosti 1/12 hmotnosti atómu uhlíka. Tu je jeho hodnota s presnosťou na päť desatinných miest v štandardnom zápise:
A.e.m.kg g.
(Takúto presnosť budeme následne potrebovať na výpočet jednej veľmi dôležitej veličiny, ktorá sa neustále používa pri výpočtoch energie jadier a jadrových reakcií.)
Ukazuje sa, že 1 a. e.m., vyjadrené v gramoch, sa numericky rovná prevrátenej hodnote Avogadroho konštantného mólu:
Prečo sa to deje? Pripomeňme, že Avogadrove číslo je počet atómov v 12 g uhlíka. Okrem toho je hmotnosť atómu uhlíka 12 a. e.m.
preto a. e = g, čo bolo požadované.
Ako si pamätáte, každé teleso s hmotnosťou m má pokojovú energiu E, ktorá je vyjadrená Einsteinovým vzorcom:
. (1)
Poďme zistiť, aká energia je obsiahnutá v jednej atómovej hmotnostnej jednotke. Budeme musieť vykonať výpočty s pomerne vysokou presnosťou, takže rýchlosť svetla vezmeme na päť desatinných miest:
Takže pre masu a. t.j. máme zodpovedajúcu pokojovú energiu:
J. (2)
V prípade malých častíc je nepohodlné používať jouly – z rovnakého dôvodu ako kilogramy. Existuje oveľa menšia jednotka merania energie - elektrón-volt(skrátene eV).
Podľa definície je 1 eV energia získaná elektrónom pri prechode cez urýchľujúci sa potenciálny rozdiel 1 volt:
EV KlV J. (3)
(pamätáte si, že v problémoch stačí použiť hodnotu elementárneho náboja v tvare Cl, ale tu potrebujeme presnejšie výpočty).
A teraz, konečne, sme pripravení vypočítať veľmi dôležitú veličinu sľúbenú vyššie - energetický ekvivalent jednotky atómovej hmotnosti, vyjadrený v MeV. Z (2) a (3) dostaneme:
EV.
(4) Takže, zapamätajme si: pokojová energia jedného a. e.m. sa rovná 931,5 MeV
. S týmto faktom sa pri riešení problémov stretnete mnohokrát.
V budúcnosti budeme potrebovať hmotnosti a pokojové energie protónu, neutrónu a elektrónu. Uveďme ich s presnosťou dostatočnou na riešenie problémov.
Amu, MeV;
A. e.m., MeV;
A. e.m., MeV.
Hromadný defekt a väzbová energia.
Začnime príkladom a zoberme si jadrovú časticu, ktorá je nám známa. V tabuľke (napríklad v Rymkevichovej knihe problémov) je hodnota hmotnosti neutrálneho atómu hélia: rovná sa 4,00260 a. e.m. Ak chcete nájsť hmotnosť M jadra hélia, musíte odpočítať hmotnosť dvoch elektrónov nachádzajúcich sa v atóme od hmotnosti neutrálneho atómu:
Zároveň sa celková hmotnosť dvoch protónov a dvoch neutrónov, ktoré tvoria jadro hélia, rovná:
Vidíme, že súčet hmotností nukleónov, ktoré tvoria jadro, prevyšuje hmotnosť jadra o
Množstvo je tzv hromadný defekt. Na základe Einsteinovho vzorca (1) hmotnostný defekt zodpovedá zmene energie:
Množstvo sa tiež označuje a nazýva jadrová väzbová energia. Väzbová energia -častice je teda približne 28 MeV.
aké to je fyzický význam väzbová energia (a teda hromadný defekt)?
Na rozdelenie jadra na jednotlivé protóny a neutróny potrebujete robiť prácu proti pôsobeniu jadrových síl. Táto práca nie je menšia ako určitá hodnota; minimálna práca na zničenie jadra sa vykoná, keď sa uvoľnia protóny a neutróny sú v pokoji.
No, ak sa pracuje na systéme, potom na energii systému zvyšuje podľa množstva vykonanej práce. Preto sa celková pokojová energia nukleónov, ktoré tvoria jadro a ktoré sa odoberajú oddelene, ukáže byť viac jadrovej pokojovej energie o množstvo.
V dôsledku toho bude celková hmotnosť nukleónov, ktoré tvoria jadro, väčšia ako hmotnosť samotného jadra. To je dôvod, prečo dochádza k hromadnému defektu.
V našom príklade s -časticou je celková pokojová energia dvoch protónov a dvoch neutrónov o 28 MeV väčšia ako pokojová energia jadra hélia. To znamená, že na rozdelenie jadra na jeho základné nukleóny sa musí vykonať práca rovnajúca sa aspoň 28 MeV. Túto veličinu sme nazvali väzbová energia jadra.
takže, jadrová väzbová energia - toto je minimálna práca, ktorá sa musí vykonať na rozdelenie jadra na jeho základné nukleóny.
Väzbová energia jadra je rozdiel medzi pokojovými energiami nukleónov jadra, branými jednotlivo, a pokojovou energiou samotného jadra. Ak sa jadro hmoty skladá z protónov a neutrónov, potom pre väzbovú energiu máme:
Množstvo, ako už vieme, sa nazýva hromadný defekt.
Špecifická väzbová energia.
Dôležitou charakteristikou pevnosti jadra je jeho špecifická väzbová energia rovná pomeru väzbovej energie k počtu nukleónov:
Špecifická väzbová energia je väzbová energia na nukleón a má význam priemerná práca, ktorá sa musí vykonať na odstránenie nukleónu z jadra.
Na obr. Obrázok 1 ukazuje závislosť špecifickej väzbovej energie prírodných (tj prirodzene sa vyskytujúcich 1) izotopov chemické prvky z hmotnosti číslo A.
Ryža. 1. Špecifická väzbová energia prírodných izotopov
Prvky s hmotnostnými číslami 210–231, 233, 236, 237 sa prirodzene nevyskytujú. To vysvetľuje medzery na konci grafu.
U ľahkých prvkov sa špecifická väzbová energia zvyšuje so zvyšujúcou sa , pričom v blízkosti železa dosahuje maximálnu hodnotu 8,8 MeV/nukleón (teda v rozsahu zmien približne od 50 do 65). Potom postupne klesá až na hodnotu 7,6 MeV/nukleón pre urán.
Tento charakter závislosti špecifickej väzbovej energie od počtu nukleónov sa vysvetľuje spoločným pôsobením dvoch rozdielne smerovaných faktorov.
Prvým faktorom je povrchové efekty. Ak je v jadre málo nukleónov, potom sa ich významná časť nachádza na povrchu jadier. Tieto povrchové nukleóny sú obklopené menším počtom susedov ako vnútorné nukleóny, a preto interagujú s menším počtom susedných nukleónov. S nárastom sa zvyšuje podiel vnútorných nukleónov a znižuje sa podiel povrchových nukleónov; preto by sa práca, ktorú je potrebné vykonať na odstránenie jedného nukleónu z jadra, mala v priemere zvyšovať so zvyšujúcim sa .
Keď sa však počet nukleónov zvyšuje, začína sa objavovať druhý faktor - Coulombovo odpudzovanie protónov. Koniec koncov, čím viac protónov v jadre, tým väčšie elektrické sily odpudzovanie má tendenciu roztrhnúť jadro; inými slovami, tým silnejšie je každý protón odpudzovaný od ostatných protónov. Preto by práca potrebná na odstránenie nukleónu z jadra mala v priemere klesať so zvyšujúcim sa .
Zatiaľ čo nukleónov je málo, prvý faktor dominuje nad druhým, a preto sa špecifická väzbová energia zvyšuje.
V blízkosti železa sa pôsobenie oboch faktorov navzájom porovnáva, v dôsledku čoho špecifická väzbová energia dosahuje maximum. Toto je oblasť najstabilnejších a najodolnejších jadier.
Potom začne prevažovať druhý faktor a pod vplyvom neustále rastúcich Coulombových odpudzujúcich síl odtláčajúcich jadro od seba sa špecifická väzbová energia znižuje.
Nasýtenie jadrových síl.
Skutočnosť, že v ťažkých jadrách dominuje druhý faktor, naznačuje jeden zaujímavá vlastnosť jadrové sily: majú vlastnosť saturácie. To znamená, že každý nukleón vo veľkom jadre je spojený jadrovými silami nie so všetkými ostatnými nukleónmi, ale len s malým počtom svojich susedov, pričom tento počet nezávisí od veľkosti jadra.
Ak by totiž takáto saturácia neexistovala, špecifická väzbová energia by sa s rastúcou mierou naďalej zvyšovala - koniec koncov, potom by každý nukleón držali pohromade jadrové sily so zvyšujúcim sa počtom nukleónov v jadre, takže prvý faktor by vždy dominovať nad druhým. Coulombské odpudivé sily by nemali šancu zvrátiť situáciu vo svoj prospech!
Väzbová energia je dôležitý pojem v chémii. Určuje množstvo energie potrebnej na rozbitie kovalentná väzba medzi dvoma atómami plynu. Tento koncept nie je použiteľný pre iónové väzby. Keď sa dva atómy spoja a vytvoria molekulu, môžete určiť, aká silná je medzi nimi väzba – stačí nájsť energiu, ktorú treba vynaložiť na prerušenie tejto väzby. Pamätajte, že jeden atóm nemá väzbovú energiu, táto energia charakterizuje silu väzby medzi dvoma atómami v molekule. Na výpočet väzbovej energie pre ľubovoľnú chemická reakcia, jednoducho určte celkový počet prerušených väzieb a odčítajte počet väzieb, ktoré z neho vznikli.
Kroky
Časť 1
Identifikujte prerušené a vytvorené spojenia- Prerušenia jednoduchých, dvojitých a trojitých chemických väzieb sa považujú za jednu prerušenú väzbu. Hoci tieto väzby majú rôzne energie, v každom prípade sa jedna väzba považuje za prerušenú.
- To isté platí pre tvorbu jednoduchej, dvojitej alebo trojitej väzby. Každý takýto prípad sa považuje za vytvorenie jedného nového spojenia.
- V našom príklade sú všetky dlhopisy jednoduché.
-
Určte, ktoré väzby sú prerušené na ľavej strane rovnice.Ľavá strana chemická rovnica obsahuje reaktanty a predstavuje všetky väzby, ktoré sa prerušia v dôsledku reakcie. Toto je endotermický proces, to znamená pretrhnutie chemické väzby je potrebné vydať nejakú energiu.
- V našom príklade ľavá strana reakčnej rovnice obsahuje jednu väzbu H-H a jednu väzbu Br-Br.
-
Spočítajte počet väzieb vytvorených na pravej strane rovnice. Reakčné produkty sú uvedené vpravo. Táto časť rovnice predstavuje všetky väzby, ktoré vznikajú ako výsledok chemickej reakcie. Ide o exotermický proces, pri ktorom sa uvoľňuje energia (zvyčajne vo forme tepla).
- V našom príklade obsahuje pravá strana rovnice dve väzby H-Br.
2. časť
Vypočítajte väzbovú energiu-
Nájdite požadované hodnoty väzbovej energie. Existuje veľa tabuliek, ktoré uvádzajú hodnoty väzbovej energie pre širokú škálu zlúčenín. Takéto tabuľky možno nájsť na internete alebo v referenčnej knihe o chémii. Malo by sa pamätať na to, že väzbové energie sú vždy uvedené pre molekuly v plynnom stave.
-
Vynásobte energetické hodnoty väzby počtom zlomených väzieb. Pri mnohých reakciách môže byť jedna väzba prerušená niekoľkokrát. Napríklad, ak molekula pozostáva zo 4 atómov vodíka, potom by sa väzbová energia vodíka mala brať do úvahy 4-krát, to znamená vynásobená 4.
- V našom príklade má každá molekula jednu väzbu, takže hodnoty energie väzby sa jednoducho vynásobia 1.
- H-H = 436 x 1 = 436 kJ/mol
- Br-Br = 193 x 1 = 193 kJ/mol
-
Zrátajte všetky energie prerušených väzieb. Keď vynásobíte energie väzieb zodpovedajúcim počtom väzieb na ľavej strane rovnice, musíte nájsť súčet.
- Nájdite celkovú energiu prerušených väzieb pre náš príklad: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 kJ/mol.
Napíšte rovnicu na výpočet väzbovej energie. Podľa definície je väzbová energia súčet prerušených väzieb mínus súčet vytvorených väzieb: ΔH = ∑H (prerušené väzby) - ∑H (vytvorené väzby). ΔH označuje zmenu väzbovej energie, nazývanú aj väzbová entalpia, a ∑H zodpovedá súčtu väzbových energií pre obe strany rovnice chemickej reakcie.
Zapíšte chemickú rovnicu a naznačte všetky súvislosti medzi jednotlivými prvkami. Ak je rovnica reakcie uvedená vo forme chemických symbolov a čísel, je užitočné ju prepísať a označiť všetky väzby medzi atómami. Tento vizuálny zápis vám umožní jednoducho spočítať väzby, ktoré sa prerušia a vytvoria počas danej reakcie.
Naučte sa pravidlá počítania prerušených a vytvorených väzieb. Vo väčšine prípadov sa pri výpočtoch používajú priemerné väzbové energie. Rovnaká väzba môže mať mierne odlišné energie v závislosti od konkrétnej molekuly, takže sa zvyčajne používajú priemerné energie väzby. .
Nukleóny v jadrách sú v stavoch, ktoré sa výrazne líšia od ich voľných stavov. S výnimkou jadra obyčajného vodíka, vo všetkých jadrách existujú najmenej dva nukleóny, medzi ktorými je špeciálna jadrová silná sila – príťažlivosť, ktorá zaisťuje stabilitu jadier napriek odpudzovaniu podobne nabitých protónov.
· Energia viazania nukleónov v jadre sa nazýva fyzikálne množstvo rovná práci, ktorú je potrebné vykonať na odstránenie nukleónu z jadra bez toho, aby sa mu odovzdala kinetická energia.
· Jadrová väzbová energia určuje množstvo práce,čo je potrebné urobiť,rozdeliť jadro na jeho základné nukleóny bez toho, aby sa im odovzdala kinetická energia.
Zo zákona zachovania energie vyplýva, že pri tvorbe jadra sa musí uvoľniť energia, ktorá sa musí vynaložiť pri štiepení jadra na nukleóny, z ktorých sa jadro skladá. Väzbová energia jadra je rozdiel medzi energiou všetkých voľných nukleónov, ktoré tvoria jadro, a ich energiou v jadre.
Keď sa vytvorí jadro, jeho hmotnosť sa zníži: hmotnosť jadra je menšia ako súčet hmotností jeho nukleónov. Pokles hmotnosti jadra pri jeho vzniku sa vysvetľuje uvoľnením väzbovej energie. Ak W sv je množstvo energie uvoľnenej pri tvorbe jadra, potom zodpovedajúca hmotnosť
| (9.2.1) |
volal hromadný defekt a charakterizuje pokles celkovej hmotnosti počas tvorby jadra z jeho základných nukleónov.
Ak má jadro hmotnosť M jed vzniká z Z protóny s hmotnosťou m p a od ( A – Z) neutróny s hmotnosťou m n, To:
| . | (9.2.2) |
Namiesto jadrovej hmoty M hodnota jedu ∆ m možno vyjadriť pomocou atómovej hmotnosti M na:
| , | (9.2.3) |
Kde mN- hmotnosť atómu vodíka. V praktických výpočtoch ∆ m hmotnosti všetkých častíc a atómov sú vyjadrené v atómové hmotnostné jednotky (a.e.m.). Jedna atómová jednotka hmotnosti zodpovedá jednotke atómovej energie (a.u.e.): 1 a.u.e. = 931,5016 MeV.
Hmotnostný defekt slúži ako miera väzbovej energie jadra:
| . | (9.2.4) |
Špecifická jadrová väzbová energia ω sv nazývaná väzbová energia,na nukleón:
| . | (9.2.5) |
Hodnota ωb je v priemere 8 MeV/nukleón. Na obr. Na obrázku 9.2 je znázornená závislosť špecifickej väzbovej energie od hmotnostného čísla A, charakterizujúce rôznu silu nukleónových väzieb v jadrách rôznych chemických prvkov. Jadrá prvkov v strednej časti periodickej tabuľky(), t.j. od do , najtrvanlivejšie.
V týchto jadrách je ωb blízko 8,7 MeV/nukleón. So zvyšujúcim sa počtom nukleónov v jadre klesá špecifická väzbová energia. Jadrá atómov chemických prvkov umiestnené na konci periodickej tabuľky (napríklad jadro uránu) majú ω svetlo ≈ 7,6 MeV/nukleón. To vysvetľuje možnosť uvoľnenia energie počas štiepenia ťažkých jadier. V oblasti malých hmotnostných čísel sú ostré „vrcholy“ špecifickej väzbovej energie. Maximá sú typické pre jadrá s párnym počtom protónov a neutrónov ( , , ), minimá sú charakteristické pre jadrá s nepárnym počtom protónov a neutrónov ( , , ).
Ak má jadro najnižšiu možnú energiu, tak sa nachádza V základný energetický stav . Ak má jadro energiu, tak sa nachádza V vzrušený energetický stav . Prípad zodpovedá rozdeleniu jadra na jeho základné nukleóny. Na rozdiel od energetických hladín atómu, ktoré sú od seba vzdialené jednotky elektrónvoltov, sú energetické úrovne jadra od seba vzdialené megaelektrónvolty (MeV). To vysvetľuje pôvod a vlastnosti gama žiarenia.
Údaje o väzbovej energii jadier a využitie kvapôčkového modelu jadra umožnili stanoviť niektoré zákonitosti v štruktúre atómových jadier.
Kritérium stability atómových jadier je pomer medzi počtom protónov a neutrónov v stabilnom jadre pre izobarové údaje (). Podmienka minimálnej jadrovej energie vedie k nasledujúcemu vzťahu medzi Zústa a A:
 .
|
(9.2.6) |
Vezmite celé číslo Zústa najbližšie k ústam získaným týmto vzorcom.
Pri malých a stredných hodnotách A počet neutrónov a protónov v stabilných jadrách je približne rovnaký: Z ≈ A – Z.
S rastom Z coulombovské odpudzovacie sily protónov sa úmerne zvyšujú Z·( Z – 1) ~ Z 2 (interakcia protónových párov) a na kompenzáciu tohto odpudzovania jadrovou príťažlivosťou sa počet neutrónov musí zvyšovať rýchlejšie ako počet protónov.
Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz: