Energjia lidhëse e një bërthame atomike është energjia që duhet shpenzuar për të ndarë bërthamën në nukleone individuale. E njëjta energji lirohet gjatë formimit të një bërthame nga nukleonet e lira. Mund të llogaritet duke përdorur formulën e L. Ajnshtajnit që lidh masën dhe energjinë e grimcave:
\(~W = mc^2\)
Pas krijimit të spektrografit të masës, u bë e mundur të maten me saktësi të madhe (deri në 0,01%) masat e të gjithë izotopeve të elementeve të tabelës periodike, gjë që bënë shkencëtarët.
Analiza e këtyre të dhënave tregon se për të gjithë elementët masa e pushimit të bërthamës është më e vogël se shuma e masave të pushimit të nukleoneve përbërëse të saj, nëse këta të fundit janë në gjendje të lirë. Ky ndryshim mund të karakterizohet nga madhësia
\(~\Delta m = \shuma m_n - n_(ja) = Zm_p + (A-Z)m_n - m_(ja),\)
që quhet defekt masiv. Një rënie në masë gjatë formimit të një bërthame nga grimcat e lira do të thotë që energjia e këtij sistemi të grimcave zvogëlohet nga sasia e energjisë lidhëse
\(~W_(sv) = \Delta mc^2 = (Zm_p+(A - Z)m_n - m_(ja))c^2 .\)
Energjia e lidhjes përcaktohet nga sasia e punës që duhet bërë për të ndarë një bërthamë në nukleonet përbërëse të saj. Por ku shkon kjo energji?
Kur nga nukleonet formohet një bërthamë, këta të fundit, për shkak të veprimit të forcave bërthamore në distanca të shkurtra, nxitojnë drejt njëri-tjetrit me përshpejtime të mëdha. Kuantat \(~\gama\) të emetuara në këtë rast kanë një energji lidhëse W sv, d.m.th. Kur bërthamat formohen nga nukleonet, kjo energji lidhëse lirohet. Energjia e lidhjes është shumë e lartë (zakonisht shprehet në MeV: 1 MeV = 10 6 eV = 1.6 \(\cdot\) 10 -13 J). Kjo vlerë mund të gjykohet nga shembulli i mëposhtëm: formimi i 4 g helium shoqërohet me çlirimin e së njëjtës energji si gjatë djegies së 5-6 makinave qymyr.
Një karakteristikë e rëndësishme e bërthamës është energjia mesatare e lidhjes bërthamore për nukleon (e ashtuquajtura energji specifike lidhëse bërthamore),
\(\omega_(sv) = \frac(W_(sv))(A)\)
Sa më i madh të jetë, aq më të fortë janë nukleonet të lidhura me njëri-tjetrin, aq më e fortë është bërthama. Kjo energji specifike lidhëse \(~\omega_(sv)\) mund të llogaritet gjithmonë. Rezultatet tregojnë se për shumicën e bërthamave \(\omega_(sv)\afërsisht 8\) MeV dhe zvogëlohet për bërthamat shumë të lehta dhe shumë të rënda.
Ndërsa numri i nukleoneve në bërthamë rritet, forcat refuzuese të Kulombit midis protoneve rriten, duke dobësuar lidhjet në bërthamë dhe vlera e \(~\omega_(sv)\) për bërthamat e rënda zvogëlohet. Vlera \(~\omega_(sv)\) është maksimale për bërthamat me masë mesatare (A = 50...60), prandaj ato dallohen nga forca më e madhe (Fig. 22.1).
Proceset e ndarjes së bërthamave të rënda dhe të shkrirjes së atyre të lehta janë energjikisht të favorshme sepse shoqërohen me një rritje të energjisë lidhëse, d.m.th. çlirimi i energjisë. Kjo është baza, siç do të shohim më poshtë, për prodhimin e energjisë atomike nga ndarja e bërthamave të rënda dhe energjisë termonukleare nga shkrirja e atyre të lehta.
Letërsia
Aksenovich L. A. Fizikë në shkollën e mesme: Teori. Detyrat. Testet: Teksti mësimor. shtesa për institucionet që ofrojnë arsim të përgjithshëm. mjedisi, arsimi / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - F. 612-613.
Energjia e komunikimit energjia e një sistemi të lidhur të çdo grimce (për shembull, një atom), e barabartë me punën që duhet shpenzuar për të zbërthyer këtë sistem në grimcat përbërëse të tij që janë pafundësisht të largëta nga njëra-tjetra dhe nuk ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Është një vlerë negative, sepse kur formohet një gjendje e lidhur, lirohet energji; vlera e tij absolute karakterizon forcën e lidhjes (për shembull, stabilitetin e bërthamave). Sipas relacionit të Ajnshtajnit, E. s. ekuivalente me një defekt në masë (Shih Defektin në masë) Δ m: Δ E =Δ mc2(Me - shpejtësia e dritës në vakum). Kuptimi i E. s. përcaktohet nga lloji i bashkëveprimit të grimcave në një sistem të caktuar. Pra, E. s. bërthama është për shkak të ndërveprimeve të forta (Shih ndërveprimet e forta) të nukleoneve në bërthamë (për bërthamat më të qëndrueshme të atomeve të ndërmjetme është Energjia e lidhjes8 10 6 eV për 1 nukleon - energji specifike. Mund të lirohet kur bërthamat e lehta bashkohen në ato më të rënda (shih Reaksionet termonukleare) ,
si dhe gjatë ndarjes së bërthamave të rënda, që shpjegohet me uljen e energjisë specifike. (shih Reaksionet bërthamore) me rritjen e numrit atomik. E. s. elektronet në një atom ose molekulë përcaktohet nga ndërveprimet elektromagnetike (Shih ndërveprimet elektromagnetike) dhe është proporcionale për çdo elektron me potencialin jonizues (Shih Potencialin e jonizimit) ,
për një elektron të një atomi dhe në gjendje normale është e barabartë me 13.6 ev. Të njëjtat ndërveprime përcaktojnë E. s. atomet në një molekulë dhe kristal (shih lidhjen kimike) . E. Me. gjatë ndërveprimit gravitacional është zakonisht i vogël, por për disa objekte hapësinore vlera e tij mund të jetë e rëndësishme (shih, për shembull, "Vrima e zezë" (Shih Vrima e Zezë)).
Enciklopedia e Madhe Sovjetike. - M.: Enciklopedia Sovjetike. 1969-1978 .
Energjia e lidhjes bërthamore
Energjia lidhëse
Energjia e lidhjes bërthamore
– energjia minimale e nevojshme për të ndarë një bërthamë në nukleone përbërëse të saj (protone dhe neutrone). Bërthama është një sistem nukleonesh të lidhur, i përbërë nga Z protone (masa e një protoni në gjendje të lirë m p) dhe N neutrone (masa e një neutroni në gjendje të lirë m n). Për të ndarë një bërthamë në nukleone përbërëse të tij, duhet të shpenzohet një energji minimale e caktuar W, e quajtur energji lidhëse. Në këtë rast, një bërthamë në prehje me masë M shndërrohet në një grup protonesh dhe neutronesh në prehje të lirë me një masë totale Zm p + Nm n. Energjia e një bërthame në qetësi është Mc 2. Energjia e nukleoneve të çliruara në qetësi (Zm p + Nm n)с 2. Në përputhje me ligjin e ruajtjes së energjisë Mc 2 + W = (Zm p + Nm n)c 2. Ose W = (Zm p + Nm n)c 2 - Ms 2. Meqenëse W > 0, atëherë M< (Zm p + Nm n),
т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс
свободных нуклонов, входящих в его состав.
W rritet me rritjen e numrit A të nukleoneve në bërthamë (A = Z + N). Është i përshtatshëm për t'u marrë me energjinë specifike të lidhjes ε = W/A, d.m.th. energjia mesatare e lidhjes për nukleon. Për shumicën e bërthamave ε ≈ 8 MeV (1 MeV = 1,6·10 -13 J). Për të thyer një lidhje kimike, energjia nevojitet 10 6 herë më pak.
Temat e kodifikuesit të provimit të bashkuar të shtetit: energjia lidhëse e nukleoneve në bërthamë, forcat bërthamore.
Bërthama atomike, sipas modelit të nukleonit, përbëhet nga nukleone - protone dhe neutrone. Por cilat forca i mbajnë nukleonet brenda bërthamës?
Pse, për shembull, dy protone dhe dy neutrone mbahen së bashku brenda bërthamës së një atomi të heliumit? Në fund të fundit, protonet, duke zmbrapsur njëri-tjetrin nga forcat elektrike, do të duhej të fluturonin larg në drejtime të ndryshme! Ndoshta kjo tërheqje gravitacionale e nukleoneve ndaj njëri-tjetrit parandalon kalbjen e bërthamës?
Le të kontrollojmë. Le të jenë dy protone në një distancë nga njëri-tjetri. Le të gjejmë raportin e forcës së zmbrapsjes së tyre elektrike me forcën e tërheqjes së tyre gravitacionale:
Ngarkesa e protonit është K, masa e protonit është kg, kështu që kemi:
Çfarë epërsie monstruoze e forcës elektrike! Tërheqja gravitacionale e protoneve jo vetëm që nuk siguron stabilitetin e bërthamës - nuk është aspak e dukshme në sfondin e zmbrapsjes së tyre elektrike të ndërsjellë.
Rrjedhimisht, ka forca të tjera tërheqëse që mbajnë nukleonet së bashku brenda bërthamës dhe tejkalojnë në madhësi forcën e zmbrapsjes elektrike të protoneve. Këto janë të ashtuquajturat forca bërthamore.
Forcat bërthamore.
Deri më tani, ne dinim dy lloje ndërveprimesh në natyrë - gravitacionale dhe elektromagnetike. Forcat bërthamore shërbejnë si një manifestim i një lloji të ri, të tretë të ndërveprimit - ndërveprim i fortë. Ne nuk do të hyjmë në mekanizmin e shfaqjes së forcave bërthamore, por do të listojmë vetëm vetitë e tyre më të rëndësishme.
1. Forcat bërthamore veprojnë ndërmjet dy nukleoneve: protonit dhe protonit, protonit dhe neutronit, neutronit dhe neutronit.
2. Forcat bërthamore të tërheqjes së protoneve brenda bërthamës janë afërsisht 100 herë më të mëdha se forca e zmbrapsjes elektrike të protoneve. Forca më të fuqishme se forcat bërthamore nuk vërehen në natyrë.
3. Forcat tërheqëse bërthamore janë me rreze të shkurtër: rrezja e tyre e veprimit është rreth m Kjo është madhësia e bërthamës - është në këtë distancë nga njëri-tjetri që nukleonet mbahen nga forcat bërthamore. Me rritjen e distancës, forcat bërthamore zvogëlohen shumë shpejt; nëse distanca midis nukleoneve bëhet e barabartë me m, forcat bërthamore pothuajse plotësisht do të zhduken.
Në distanca më të vogla se m, forcat bërthamore bëhen forca refuzuese.
Ndërveprimi i fortë është një nga themelorët - nuk mund të shpjegohet në bazë të ndonjë lloji tjetër ndërveprimesh. Aftësia për ndërveprime të forta doli të ishte karakteristike jo vetëm e protoneve dhe neutroneve, por edhe e disa grimcave të tjera elementare; quhen të gjitha grimcat e tilla hadronet. Elektronet dhe fotonet nuk i përkasin hadroneve - ato nuk marrin pjesë në ndërveprime të forta.
Njësia e masës atomike.
Masat e atomeve dhe grimcave elementare janë jashtëzakonisht të vogla, dhe matja e tyre në kilogramë është e papërshtatshme. Prandaj, në fizikën atomike dhe bërthamore shpesh përdoret një njësi shumë më e vogël - kështu
quhet njësia e masës atomike (shkurtuar a.m.u.).
Sipas përkufizimit, një njësi e masës atomike është 1/12 e masës së një atomi karboni. Këtu është vlera e tij, e saktë deri në pesë shifra dhjetore në shënimin standard:
A.e.m.kg g.
(Më pas do të na duhet një saktësi e tillë për të llogaritur një sasi shumë të rëndësishme, e cila përdoret vazhdimisht në llogaritjet e energjisë së bërthamave dhe reaksioneve bërthamore.)
Rezulton se 1 a. e.m., e shprehur në gram, është numerikisht e barabartë me nishanin konstant të Avogadro-s:
Pse ndodh kjo? Kujtojmë se numri i Avogadro është numri i atomeve në 12 g karbon. Përveç kësaj, masa e një atomi karboni është 12 a. e.m. Nga këtu kemi:
prandaj a. e m = g, që është ajo që kërkohej.
Siç e mbani mend, çdo trup me masë m ka energji pushimi E, e cila shprehet me formulën e Ajnshtajnit:
. (1)
Le të zbulojmë se çfarë energjie përmban një njësi e masës atomike. Do të na duhet të kryejmë llogaritjet me saktësi mjaft të lartë, kështu që shpejtësinë e dritës e marrim në pesë shifra dhjetore:
Pra, për masën a. dmth ne kemi energjinë përkatëse të pushimit:
J. (2)
Në rastin e grimcave të vogla, është e papërshtatshme të përdoren joules - për të njëjtën arsye si kilogramët. Ekziston një njësi shumë më e vogël e matjes së energjisë - elektron-volt(shkurtuar eV).
Sipas përkufizimit, 1 eV është energjia e fituar nga një elektron kur kalon përmes një ndryshimi potencial përshpejtues prej 1 volt:
EV KlV J. (3)
(ju kujtohet se në problema mjafton të përdorim vlerën e ngarkesës elementare në formën e Cl, por këtu na duhen llogaritje më të sakta).
Dhe tani, më në fund, jemi gati të llogarisim sasinë shumë të rëndësishme të premtuar më sipër - ekuivalentin e energjisë së një njësie të masës atomike, të shprehur në MeV. Nga (2) dhe (3) marrim:
EV. (4)
Pra, le të kujtojmë: energjia e pushimit të një a. e.m është e barabartë me 931,5 MeV. Këtë fakt do ta hasni shumë herë gjatë zgjidhjes së problemeve.
Në të ardhmen do të kemi nevojë për masat dhe energjitë e pushimit të protonit, neutronit dhe elektronit. Le t'i paraqesim ato me një saktësi të mjaftueshme për të zgjidhur problemet.
A.mu., MeV;
A. e.m., MeV;
A. e.m., MeV.
Defekti masiv dhe energjia lidhëse.
Jemi mësuar me faktin se masa e një trupi është e barabartë me shumën e masave të pjesëve nga të cilat ai përbëhet. Në fizikën bërthamore, duhet të heqësh dorë nga ky mendim i thjeshtë.
Le të fillojmë me një shembull dhe të marrim grimcën e bërthamës, e cila është e njohur për ne. Në tabelë (për shembull, në librin e problemeve të Rymkevich) ka një vlerë për masën e një atomi neutral të heliumit: është e barabartë me 4,00260 a. e.m Për të gjetur masën M të bërthamës së heliumit, duhet të zbrisni masën e dy elektroneve të vendosura në atom nga masa e atomit neutral:
Në të njëjtën kohë, masa totale e dy protoneve dhe dy neutroneve që përbëjnë bërthamën e heliumit është e barabartë me:
Shohim se shuma e masave të nukleoneve që përbëjnë bërthamën e tejkalon masën e bërthamës me
Sasia quhet defekt masiv. Në bazë të formulës së Ajnshtajnit (1), një defekt në masë korrespondon me një ndryshim në energji:
Sasia gjithashtu shënohet dhe quhet energji lidhëse bërthamore. Kështu, energjia lidhëse e grimcës - është afërsisht 28 MeV.
Cili është kuptimi fizik i energjisë lidhëse (dhe, rrjedhimisht, defekti në masë)?
Për të ndarë një bërthamë në protone dhe neutrone përbërëse, ju duhet Puno kundër veprimit të forcave bërthamore. Kjo punë nuk është më pak se një vlerë e caktuar; puna minimale për të shkatërruar bërthamën bëhet kur lirohen protonet dhe neutronet janë në pushim.
Epo, nëse punohet në sistem, atëherë energjia e sistemit rritet nga sasia e punës së bërë. Prandaj, energjia totale e pushimit të nukleoneve që përbëjnë bërthamën dhe e marrë veçmas rezulton të jetë më shumë energjia e pushimit bërthamor me një sasi.
Rrjedhimisht, masa totale e nukleoneve që përbëjnë bërthamën do të jetë më e madhe se masa e vetë bërthamës. Kjo është arsyeja pse ndodh një defekt masiv.
Në shembullin tonë me një grimcë, energjia totale e pushimit të dy protoneve dhe dy neutroneve është 28 MeV më e madhe se energjia e pushimit të bërthamës së heliumit. Kjo do të thotë që për të ndarë një bërthamë në nukleonet përbërëse të tij, duhet të bëhet punë e barabartë me të paktën 28 MeV. Ne e quajtëm këtë sasi energjia lidhëse e bërthamës.
Kështu që, energjia lidhëse bërthamore - kjo është puna minimale që duhet bërë për të ndarë një bërthamë në nukleonet përbërëse të saj.
Energjia lidhëse e një bërthame është diferenca midis energjive të pushimit të nukleoneve të bërthamës, të marra individualisht, dhe energjisë së pushimit të vetë bërthamës. Nëse bërthama e masës përbëhet nga protone dhe neutrone, atëherë për energjinë e lidhjes kemi:
Sasia, siç e dimë tashmë, quhet defekt masiv.
Energjia specifike e lidhjes.
Një karakteristikë e rëndësishme e forcës së bërthamës është e saj energji specifike lidhëse, e barabartë me raportin e energjisë së lidhjes me numrin e nukleoneve:
Energjia specifike e lidhjes është energjia lidhëse për nukleon dhe i referohet punës mesatare që duhet bërë për të hequr një nukleon nga bërthama.
Në Fig. Figura 1 tregon varësinë e energjisë specifike të lidhjes së izotopeve natyrore (d.m.th., që ndodhin në natyrë 1) të elementeve kimike nga numri i masës A.
Oriz. 1. Energjia lidhëse specifike e izotopeve natyrore
Elementet me numra masiv 210–231, 233, 236, 237 nuk ndodhin natyrshëm. Kjo shpjegon boshllëqet në fund të grafikut.
Për elementët e lehtë, energjia specifike lidhëse rritet me rritjen, duke arritur një vlerë maksimale prej 8.8 MeV/nukleon në afërsi të hekurit (d.m.th., në intervalin e ndryshimeve nga afërsisht 50 në 65). Pastaj gradualisht zvogëlohet në një vlerë prej 7.6 MeV/nukleon për uraniumin.
Kjo natyrë e varësisë së energjisë specifike të lidhjes nga numri i nukleoneve shpjegohet me veprimin e përbashkët të dy faktorëve të drejtuar ndryshe.
Faktori i parë është efektet sipërfaqësore. Nëse ka pak nukleone në bërthamë, atëherë një pjesë e konsiderueshme e tyre ndodhet në një sipërfaqe bërthamat. Këto nukleone sipërfaqësore janë të rrethuara nga më pak fqinjë sesa nukleone të brendshëm dhe, në përputhje me rrethanat, ndërveprojnë me më pak nukleone fqinjë. Me një rritje, fraksioni i nukleoneve të brendshëm rritet, dhe fraksioni i nukleoneve sipërfaqësore zvogëlohet; prandaj, puna që duhet bërë për të hequr një nukleon nga bërthama duhet, mesatarisht, të rritet me rritjen e .
Sidoqoftë, me rritjen e numrit të nukleoneve, faktori i dytë fillon të shfaqet - Zmbrapsja e Kulonit të protoneve. Në fund të fundit, sa më shumë protone në bërthamë, aq më të mëdha janë forcat refuzuese elektrike që tentojnë ta copëtojnë bërthamën; me fjalë të tjera, aq më fort çdo proton zmbrapset nga protonet e tjera. Prandaj, puna e nevojshme për të hequr një nukleon nga një bërthamë duhet, mesatarisht, të ulet me rritjen e .
Ndërsa ka pak nukleone, faktori i parë dominon mbi të dytin, dhe për këtë arsye energjia specifike e lidhjes rritet.
Në afërsi të hekurit, veprimet e të dy faktorëve krahasohen me njëri-tjetrin, si rezultat i së cilës energjia specifike lidhëse arrin maksimumin. Kjo është zona e bërthamave më të qëndrueshme dhe të qëndrueshme.
Pastaj faktori i dytë fillon të peshojë më shumë dhe nën ndikimin e forcave sprapsëse Kulomb gjithnjë në rritje që e shtyjnë thelbin larg, energjia specifike e lidhjes zvogëlohet.
Ngopja e forcave bërthamore.
Fakti që faktori i dytë dominon në bërthamat e rënda tregon një veçori interesante të forcave bërthamore: ato kanë vetinë e ngopjes. Kjo do të thotë se çdo nukleon në një bërthamë të madhe është i lidhur me forca bërthamore jo me të gjitha nukleonet e tjera, por vetëm me një numër të vogël të fqinjëve të tij, dhe ky numër nuk varet nga madhësia e bërthamës.
Në të vërtetë, nëse nuk do të ekzistonte një ngopje e tillë, energjia specifike lidhëse do të vazhdonte të rritej me rritjen - në fund të fundit, çdo nukleon do të mbahej së bashku nga forcat bërthamore me një numër në rritje të nukleoneve në bërthamë, kështu që faktori i parë do të ishte pa ndryshim. dominojnë mbi të dytin. Forcat refuzuese të Kulonit nuk do të kishin asnjë shans për ta kthyer situatën në favor të tyre!
