Цөмийг бие даасан нуклон болгон хуваахад зарцуулагдах ёстой энерги нь атомын цөмийн холболтын энерги юм. Чөлөөт нуклонуудаас цөм үүсэх үед ижил энерги ялгардаг. Үүнийг бөөмийн масс ба энергийг холбосон Л.Эйнштейний томъёог ашиглан тооцоолж болно.
\(~W = mc^2\)
Масс спектрографыг бүтээсний дараа үелэх системийн элементүүдийн бүх изотопын массыг маш нарийвчлалтай (0.01% хүртэл) хэмжих боломжтой болсон бөгөөд үүнийг эрдэмтэд хийсэн.
Эдгээр өгөгдлийн дүн шинжилгээ нь бүх элементүүдийн хувьд цөмийн үлдсэн масс нь чөлөөт төлөвт байгаа бол түүнийг бүрдүүлэгч нуклонуудын үлдсэн массын нийлбэрээс бага байгааг харуулж байна. Энэ ялгааг хэмжээсээр нь тодорхойлж болно
\(~\Дельта м = \нийлбэр m_n - n_(ja) = Zm_p + (A-Z)m_n - m_(ja),\)
үүнийг массын согог гэж нэрлэдэг. Чөлөөт бөөмсөөс цөм үүсэх үед массын бууралт нь бөөмсийн энэ системийн энерги нь холбох энергийн хэмжээгээр буурдаг гэсэн үг юм.
\(~W_(sv) = \Delta mc^2 = (Zm_p+(A - Z)m_n - m_(ja))c^2 .\)
Холболтын энерги нь цөмийг бүрдүүлэгч нуклонуудад хуваахад шаардагдах ажлын хэмжээгээр тодорхойлогддог. Гэхдээ энэ энерги хаашаа явдаг вэ?
Нуклонуудаас цөм үүсэх үед сүүлийнх нь богино зайд цөмийн хүчний үйлчлэлийн улмаас асар их хурдатгалтайгаар бие бие рүүгээ гүйдэг. Энэ тохиолдолд ялгарах \(~\гамма\) кванттар нь W sv-тэй холбох энергитэй, i.e. Нуклонуудаас цөм үүсэхэд энэ холболтын энерги ялгардаг. Холбох энерги нь маш өндөр (энэ нь ихэвчлэн MeV-ээр илэрхийлэгдэнэ: 1 MeV = 10 6 eV = 1.6 \(\cdot\) 10 -13 J). Энэ утгыг дараах жишээгээр дүгнэж болно: 4 г гелий үүсэх нь 5-6 машин нүүрс шатаах үед ялгарах энергийг дагалддаг.
Цөмийн чухал шинж чанар нь нэг нуклонд ногдох цөмийн холболтын дундаж энерги юм. тодорхой цөмийн холбох энерги),
\(\omega_(sv) = \frac(W_(sv))(A)\)
Энэ нь том байх тусам нуклонууд бие биетэйгээ илүү хүчтэй холбоотой байх тусам цөм илүү хүчтэй болно. Энэхүү тусгай холболтын энерги \(~\omega_(sv)\) үргэлж тооцоолж болно. Үр дүн нь ихэнх цөмийн хувьд \(\omega_(sv)\ойролцоогоор 8\) MeV, маш хөнгөн ба маш хүнд цөмийн хувьд буурдаг болохыг харуулж байна.
Цөм дэх нуклонуудын тоо ихсэх тусам протонуудын хоорондох Кулоны түлхэлтийн хүч нэмэгдэж, цөм дэх холбоо суларч, хүнд цөмийн хувьд \(~\омега_(св)\)-ийн утга буурдаг. \(~\omega_(sv)\) утга нь дунд масстай (A = 50...60) цөмийн хувьд хамгийн их байдаг тул тэдгээр нь хамгийн их хүч чадлаар ялгагдана (Зураг 22.1).
Хүнд цөмүүдийн хуваагдал ба хөнгөн хэсгүүдийн нэгдэх үйл явц нь эрчим хүчний хувьд таатай байдаг, учир нь тэдгээр нь холболтын энергийг нэмэгдүүлдэг, өөрөөр хэлбэл. энерги ялгаруулах. Энэ нь хүнд цөмийн задралаас атомын энерги, хөнгөн цөмийн нэгдэлээс термоядролын энерги үйлдвэрлэх үндэс суурь болно.
Уран зохиол
Аксенович Л.А. Дунд сургуулийн физик: Онол. Даалгавар. Тест: Сурах бичиг. ерөнхий боловсрол олгодог байгууллагуудын тэтгэмж. хүрээлэн буй орчин, боловсрол / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Эд. К.С.Фарино. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 612-613.
Харилцааны энерги аливаа бөөмийн (жишээлбэл, атом) холбогдсон системийн энерги, энэ системийг бие биенээсээ хязгааргүй алслагдсан, бие биентэйгээ харилцан үйлчлэлцдэггүй, түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задлахад зарцуулах ёстой ажилтай тэнцүү байна. Энэ нь сөрөг утгатай, учир нь холбогдох төлөв үүсэх үед энерги ялгардаг; түүний үнэмлэхүй утга нь холболтын бат бөх чанарыг тодорхойлдог (жишээлбэл, цөмийн тогтвортой байдал). Эйнштейний харилцааны дагуу E. s. массын согогтой тэнцэх (Массын согогийг үзнэ үү) Δ м: Δ E =Δ mc2(-тайвакуум дахь гэрлийн хурд). E. s-ийн утга учир. тухайн систем дэх бөөмсийн харилцан үйлчлэлийн төрлөөр тодорхойлогддог. Тиймээс, E. s. цөм нь цөм дэх нуклонуудын хүчтэй харилцан үйлчлэлээс үүдэлтэй (Хүчтэй харилцан үйлчлэлийг үзнэ үү) (завсрын атомуудын хамгийн тогтвортой цөмийн хувьд энэ нь холбох энерги юм8 10) 6 эВ ,
1 нуклон тутамд - тодорхой энерги. Хөнгөн цөмүүд илүү хүнд хэсгүүдэд ууссан үед ялгарч болно (Термоядролын урвалыг үзнэ үү) түүнчлэн хүнд цөмийн задралын үед энэ нь тодорхой энерги буурсантай холбон тайлбарладаг. (Цөмийн урвалыг үзнэ үү) атомын тоо нэмэгдэж байна. ,
E. s. Атом эсвэл молекул дахь электронууд нь цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлээр тодорхойлогддог (Цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлийг үзнэ үү) ба электрон бүрийн хувьд иончлолын потенциалтай пропорциональ байна (Иончлолын потенциалыг үзнэ үү) атомын электроны хувьд хэвийн төлөвт 13.6-тай тэнцүү байнаэ.в. Эдгээр ижил харилцан үйлчлэлийг тодорхойлдог E. s. молекул ба талст дахь атомууд (Химийн холбоог үзнэ үү). Э.
Зөвлөлтийн агуу нэвтэрхий толь бичиг. - М .: Зөвлөлтийн нэвтэрхий толь бичиг. 1969-1978 .
Цөмийн холболтын энерги
Холбогч энерги
Цөмийн холболтын энерги
- цөмийг бүрдүүлэгч нуклон (протон ба нейтрон) болгон хуваахад шаардагдах хамгийн бага энерги. Цөм нь Z протон (чөлөөт төлөв дэх протоны масс m p) ба N нейтрон (чөлөөт төлөв дэх нейтроны масс m n) зэргээс бүрдсэн, холбогдсон нуклонуудын систем юм. Цөмийг бүрэлдэхүүн нуклон болгон хуваахын тулд холбох энерги гэж нэрлэгддэг хамгийн бага W энерги зарцуулагдах ёстой. Энэ тохиолдолд тайван байдалд байгаа M масстай цөм нь Zm p + Nm n нийт масстай чөлөөт амарч буй протон ба нейтронуудын багц болж хувирдаг. Амралттай байгаа цөмийн энерги нь Mc 2 юм.< (Zm p + Nm n),
т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс
свободных нуклонов, входящих в его состав.
Амралт дахь суллагдсан нуклонуудын энерги (Zm p + Nm n)с 2.
Энерги хадгалагдах хуулийн дагуу Mc 2 + W = (Zm p + Nm n)c 2. Эсвэл W = (Zm p + Nm n)c 2 - Ms 2. W > 0 тул М
Цөм дэх нуклонуудын А тоо нэмэгдэх тусам W нэмэгддэг (A = Z + N). Тодорхой холболтын энергитэй харьцахад тохиромжтой ε = W/A, i.e. нуклонд ногдох дундаж холболтын энерги. Ихэнх бөөмийн хувьд ε ≈ 8 МэВ (1 МэВ = 1.6·10 -13 Ж). Химийн холбоог таслахад 10 6 дахин бага энерги шаардагдана.
Улсын нэгдсэн шалгалтын кодлогчийн сэдвүүд: цөм дэх нуклонуудын холболтын энерги, цөмийн хүч.
Нуклон загварын дагуу атомын цөм нь нуклонууд - протон ба нейтронуудаас бүрддэг. Гэхдээ цөмийн доторх нуклонуудыг ямар хүчнүүд барьж байдаг вэ?
Жишээлбэл, гелийн атомын цөмд хоёр протон, хоёр нейтрон яагаад хамт байдаг вэ? Эцсийн эцэст, цахилгаан хүчээр бие биенээ няцаах протонууд өөр өөр чиглэлд нисэх ёстой! Магадгүй нуклонуудын бие биедээ татах энэхүү таталцал нь цөмийг задрахаас сэргийлдэг болов уу?
Үүнийг шалгаж үзье. Хоёр протон бие биенээсээ тодорхой зайд байг. Тэдний цахилгаан түлхэлтийн хүчийг таталцлын хүчд харьцуулсан харьцааг олъё.
Протоны цэнэг K, протоны масс кг тул бидэнд:
Цахилгаан хүчний ямар гайхалтай давуу тал вэ! Протонуудын таталцлын таталцал нь цөмийн тогтвортой байдлыг хангадаггүй төдийгүй тэдгээрийн харилцан цахилгаан түлхэлтийн дэвсгэр дээр огт мэдэгдэхүйц биш юм.
Өнөөг хүртэл бид байгальд хоёр төрлийн харилцан үйлчлэлийг мэддэг байсан - таталцлын болон цахилгаан соронзон. Цөмийн хүч нь шинэ, гурав дахь төрлийн харилцан үйлчлэлийн илэрхийлэл болдог - хүчтэй харилцан үйлчлэл. Бид цөмийн хүчний үүсэх механизмд орохгүй, зөвхөн тэдний хамгийн чухал шинж чанаруудыг жагсаах болно.
1. Протон ба протон, протон ба нейтрон, нейтрон ба нейтрон гэсэн хоёр нуклонын хооронд цөмийн хүч үйлчилдэг.
2. Цөм доторх протоныг татах цөмийн хүч нь протоны цахилгаан түлхэлтийн хүчнээс ойролцоогоор 100 дахин их байдаг. Цөмийн хүчнээс илүү хүчтэй хүч байгальд ажиглагддаггүй.
3. Цөмийн таталцлын хүч нь богино зайд байдаг: тэдгээрийн үйл ажиллагааны радиус нь м орчим байдаг - энэ нь цөмийн хэмжээ юм - яг ийм зайд нуклонууд цөмийн хүчинд байдаг. Зай нэмэгдэх тусам цөмийн хүч маш хурдан буурдаг; Хэрэв нуклонуудын хоорондох зай м-тэй тэнцүү бол цөмийн хүч бараг бүрэн алга болно.
М-ээс бага зайд цөмийн хүч нь түлхэх хүч болдог.
Хүчтэй харилцан үйлчлэл нь үндсэн зүйлүүдийн нэг бөгөөд үүнийг бусад төрлийн харилцан үйлчлэлийн үндсэн дээр тайлбарлах боломжгүй юм. Хүчтэй харилцан үйлчлэлийн чадвар нь зөвхөн протон ба нейтронууд төдийгүй бусад зарим элементийн бөөмсийн шинж чанартай болсон; ийм бүх бөөмсийг нэрлэдэг адронууд. Электрон ба фотонууд адронд хамаарахгүй - тэд хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй.
Атомын массын нэгж.
Атом ба энгийн бөөмсийн масс нь маш бага тул тэдгээрийг килограммаар хэмжих нь тохиромжгүй юм. Тиймээс атомын болон цөмийн физикт илүү жижиг нэгжийг ихэвчлэн ашигладаг
атомын массын нэгж гэж нэрлэдэг (товчилсон a.m.u.).
Тодорхойлолтоор атомын массын нэгж нь нүүрстөрөгчийн атомын массын 1/12 байна. Энд стандарт тэмдэглэгээний аравтын таван орон хүртэлх утгыг харуулав.
A.e.m.kg г.
(Цөмийн энерги ба цөмийн урвалын тооцоонд байнга хэрэглэгддэг маш чухал хэмжигдэхүүнийг тооцоолохын тулд бидэнд ийм нарийвчлал хэрэгтэй болно.)
Энэ нь 1 а. Грамаар илэрхийлсэн э.м нь Авогадрогийн тогтмол мэнгэтэй тоон харьцаатай тэнцүү байна.
Яагаад ийм зүйл болдог вэ? Авогадрогийн тоо нь 12 г нүүрстөрөгчийн атомын тоо гэдгийг санаарай. Үүнээс гадна нүүрстөрөгчийн атомын масс нь 12 а. e.m. Эндээс бид:
тиймээс a. e. m = g, энэ нь шаардлагатай байсан.
Таны санаж байгаагаар аливаа m масстай бие нь Эйнштейний томьёогоор илэрхийлэгддэг E тайван энергитэй байдаг.
. (1)
Нэг атомын массын нэгжид ямар энерги агуулагддагийг олж мэдье. Бид тооцооллыг нэлээд өндөр нарийвчлалтайгаар хийх шаардлагатай тул гэрлийн хурдыг аравтын бутархайн таван орон болгон авна.
Тиймээс массын хувьд a. өөрөөр хэлбэл бидэнд тохирох амрах энерги байна:
Ж. (2)
Жижиг хэсгүүдийн хувьд жоуль хэрэглэх нь тохиромжгүй байдаг - килограммтай ижил шалтгаанаар. Илүү бага эрчим хүчний хэмжилтийн нэгж байдаг - электрон вольт(товчилсон eV).
Тодорхойлолтоор бол 1 эВ нь 1 вольтын хурдатгалын потенциалын зөрүүг дамжин өнгөрөх үед электрон олж авсан энерги юм.
EV KlV J. (3)
(Та асуудалд Cl хэлбэрээр энгийн цэнэгийн утгыг ашиглахад хангалттай гэдгийг санаж байна, гэхдээ энд илүү нарийвчлалтай тооцоолол хэрэгтэй болно).
Эцэст нь бид дээр амласан маш чухал хэмжигдэхүүнийг тооцоолоход бэлэн байна - МеВ-ээр илэрхийлсэн атомын массын нэгжийн энергийн эквивалент. (2) ба (3) -аас бид дараахь зүйлийг авна.
EV.
(4) Тиймээс, санацгаая:нэгийн амрах энерги a. э.м нь 931.5 МэВ-тэй тэнцүү байна
. Асуудлыг шийдэхдээ энэ баримттай олон удаа тулгарах болно.
Ирээдүйд бидэнд протон, нейтрон, электроны масс ба тайван энерги хэрэгтэй болно. Тэдгээрийг асуудлыг шийдвэрлэхэд хангалттай нарийвчлалтайгаар танилцуулъя.
A.mu., MeV;
А. e.m., MeV;
А. э.м, МэВ.
Массын согог ба холбох энерги.
Биеийн масс нь түүний бүрдэх хэсгүүдийн массын нийлбэртэй тэнцүү байдаг гэдэгт бид дассан. Цөмийн физикийн хувьд та энэ энгийн бодлыг арилгах хэрэгтэй.
Нэг жишээгээр эхэлж, бидний сайн мэдэх цөмийн бөөмийг авч үзье. Хүснэгтэд (жишээлбэл, Рымкевичийн асуудлын номонд) саармаг гелийн атомын массын утга байдаг: энэ нь 4.00260 а-тай тэнцүү байна. Гелийн цөмийн M массыг олохын тулд та саармаг атомын массаас атомд байрлах хоёр электроны массыг хасах хэрэгтэй.
Үүний зэрэгцээ гелийн цөмийг бүрдүүлдэг хоёр протон ба хоёр нейтроны нийт масс нь дараахь хэмжээтэй тэнцүү байна.
Цөмийг бүрдүүлдэг нуклонуудын массын нийлбэр нь цөмийн массаас 2 дахин их байгааг бид харж байна. Тоо хэмжээ гэж нэрлэдэгмассын согог.
Эйнштейний (1) томъёоны дагуу массын согог нь энергийн өөрчлөлттэй тохирч байна.
Хэмжигдэхүүнийг мөн тэмдэглэж, цөмийн холболтын энерги гэж нэрлэдэг. Тиймээс - бөөмийн холболтын энерги нь ойролцоогоор 28 МэВ байна.
Хүчтэй энергийн физик утга нь юу вэ (тиймээс массын согог)? Цөмийг протон ба нейтрон болгон хуваахын тулд танд хэрэгтэйажил хийх цөмийн хүчний үйл ажиллагааны эсрэг. Энэ ажил нь тодорхой үнэ цэнээс багагүй; Протон ба нейтрон ялгарах үед цөмийг устгах хамгийн бага ажил хийгддэг
За, хэрэв систем дээр ажил хийгдсэн бол системийн энерги нэмэгддэгхийсэн ажлын хэмжээгээр. Тиймээс цөмийг бүрдүүлдэг, тусад нь авсан нуклонуудын нийт амрах энерги нь болж хувирдаг илүүхэмжээгээр цөмийн амрах энерги .
Үүний үр дүнд цөмийг бүрдүүлдэг нуклонуудын нийт масс нь цөмийн өөрийн массаас их байх болно. Ийм учраас массын согог үүсдэг.
Бидний жишээн дээр бөөмстэй бол хоёр протон ба хоёр нейтроны амрах энерги нь гелийн цөмийн амрах энергиэс 28 МэВ-ээр их байна. Энэ нь цөмийг бүрдүүлэгч нуклонуудад хуваахын тулд дор хаяж 28 МэВ-тэй тэнцэх ажил хийх ёстой гэсэн үг юм. Бид энэ хэмжигдэхүүнийг цөмийн холболтын энерги гэж нэрлэсэн.
Тэгэхээр, цөмийн холболтын энерги - энэ бол цөмийг бүрдүүлэгч нуклонуудад хуваахад хийх ёстой хамгийн бага ажил юм.
Цөмийн холболтын энерги гэдэг нь тус тусад нь авч үзвэл цөмийн нуклонуудын амрах энерги ба цөмийн өөрийн үлдсэн энерги хоорондын зөрүү юм. Хэрэв массын цөм нь протон ба нейтроноос бүрддэг бол холболтын энергийн хувьд бид:
Хэмжээг бидний аль хэдийн мэдэж байгаагаар массын согог гэж нэрлэдэг.
Тусгай холбох энерги.
Үндсэн хүч чадлын чухал шинж чанар нь түүний тусгай холбох энерги, нуклонуудын тоонд холбох энергийн харьцаатай тэнцүү:
Тусгай холбох энерги нь нэг нуклонд ногдох холболтын энерги бөгөөд нуклоныг цөмөөс зайлуулахын тулд хийх ёстой дундаж ажлыг хэлнэ.
Зураг дээр. 1-р зурагт химийн элементийн байгалийн (өөрөөр хэлбэл байгальд тохиолддог 1) изотопуудын тусгай холболтын энерги нь А массын тооноос хамааралтай болохыг харуулж байна.
Цагаан будаа. 1. Байгалийн изотопуудын тусгай холболтын энерги
210–231, 233, 236, 237 массын дугаартай элементүүд байгалийн жамаараа байдаггүй. Энэ нь графикийн төгсгөлд байгаа цоорхойг тайлбарлаж байна.
Хөнгөн элементүүдийн хувьд тусгай холболтын энерги ихсэх тусам нэмэгдэж, төмрийн ойролцоо хамгийн ихдээ 8.8 МэВ/нуклон (өөрөөр хэлбэл 50-65 хүртэлх өөрчлөлтийн мужид) хүрдэг. Дараа нь энэ нь аажмаар буурч, ураны хувьд 7.6 МэВ/нуклон болно.
Нуклонуудын тооноос тусгай холболтын энергийн хамаарлын ийм шинж чанарыг өөр өөр чиглэсэн хоёр хүчин зүйлийн хамтарсан үйлчлэлээр тайлбарладаг.
Эхний хүчин зүйл бол гадаргуугийн нөлөө. Хэрэв цөмд цөөн тооны нуклон байдаг бол тэдгээрийн нэлээд хэсэг нь байрладаг гадаргуу дээрцөм. Эдгээр гадаргуугийн нуклонууд нь дотоод нуклонуудаас цөөн тооны хөршүүдээр хүрээлэгдсэн байдаг ба үүний дагуу цөөн тооны хөрш нуклонуудтай харилцан үйлчилдэг. Өсөх тусам дотоод нуклонуудын эзлэх хувь нэмэгдэж, гадаргуугийн нуклонуудын эзлэх хувь буурдаг; тиймээс нэг нуклоныг цөмөөс зайлуулахын тулд хийх ажил дунджаар нэмэгдэх тусам нэмэгдэх ёстой.
Гэсэн хэдий ч нуклонуудын тоо нэмэгдэхийн хэрээр хоёр дахь хүчин зүйл гарч ирж эхэлдэг - Протонуудын Кулон түлхэлт. Эцсийн эцэст, цөмд илүү олон протон байх тусам цахилгаан түлхэлтийн хүч нь цөмийг задлах хандлагатай байдаг; өөрөөр хэлбэл протон тус бүр нь бусад протонуудаас илүү хүчтэй түлхэгдэнэ. Тиймээс цөмөөс нуклоныг арилгахад шаардагдах ажил дунджаар нэмэгдэх тусам буурах ёстой.
Цөөн тооны нуклонтой боловч эхний хүчин зүйл нь хоёр дахь хүчин зүйлээс давамгайлдаг тул тусгай холболтын энерги нэмэгддэг.
Төмрийн ойролцоо хоёр хүчин зүйлийн үйлдлийг бие биентэйгээ харьцуулж, үүний үр дүнд тусгай холболтын энерги хамгийн дээд хэмжээнд хүрдэг. Энэ бол хамгийн тогтвортой, удаан эдэлгээтэй цөмүүдийн бүс юм.
Дараа нь хоёр дахь хүчин зүйл нь давж эхэлдэг бөгөөд байнга нэмэгдэж буй Кулоны түлхэлтийн хүчний нөлөөн дор цөмийг түлхэж, тусгай холболтын энерги буурдаг.
Цөмийн хүчний ханалт.
Хүнд цөмд хоёр дахь хүчин зүйл давамгайлж байгаа нь цөмийн хүчний нэг сонирхолтой шинж чанарыг харуулж байна: тэдгээр нь ханасан шинж чанартай байдаг. Энэ нь том цөм дэх нуклон бүр нь бусад бүх нуклонуудтай биш, зөвхөн цөөн тооны хөршүүдтэй цөмийн хүчээр холбогддог бөгөөд энэ тоо нь цөмийн хэмжээнээс хамаардаггүй гэсэн үг юм.
Үнэн хэрэгтээ, хэрэв ийм ханалт байхгүй байсан бол тусгай холболтын энерги өсөх тусам нэмэгдсээр байх болно - эцэст нь нуклон бүрийг цөм дэх нуклонуудын тоо нэмэгдэж байгаа цөмийн хүчээр нэгтгэх бөгөөд ингэснээр эхний хүчин зүйл нь тогтмол байх болно. хоёр дахь дээр давамгайлах. Кулоны зэвүүн хүчнийхэн нөхцөл байдлыг өөрсдөдөө ашигтайгаар эргүүлэх ямар ч боломж байхгүй!
