Глава 11. Ядерная химия

Модель 11.1.  Стабильность ядер

Модель предназначена для ознакомления с понятиями энергии связи ядер и дефекта массы. На экран выводятся графики зависимости числа нейтронов от числа протонов в стабильных ядрах и зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа. Модель позволяет подбирать различные сочетания чисел нейтронов и протонов для образования стабильного ядра и определять для этого ядра формулу химического элемента и удельную энергию связи.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Число протонов Z равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре обозначается знаком N. Общее число протонов и нейтронов

A = Z + N

называется массовым числом.

Ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами различных изотопов химического элемента. Изотопы обозначаются символом химического элемента с указанием вверху массового числа A и внизу числа протонов Z

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре так называемыми ядерными силами. Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Она равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергию связи определяют на основе соотношения Эйнштейна между массой и энергией

E = mc2.

Точные измерения масс ядер показывают, что масса ядра M всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов. Величину

ΔM = Zmр + Nmn – M,

называют дефектом массы. Энергия связи частиц (нуклонов) в ядре равна

ΔEсв = ΔMc2,

где c – скорость света.

Отношение энергии связи ядра ΔE_св к числу нуклонов A в ядре называется удельной энергией связи нуклонов в ядре

(МэВ/нуклон)

Удельная энергия связи нуклонов в разных атомных ядрах неодинакова. Зависимость E_св от массового числа A исследована экспериментально для всех стабильных ядер. За исключением самых легких ядер, удельная энергия связи приблизительно постоянна и равна 8 (МэВ/нуклон). Это почти в миллион раз больше энергии ионизации атома водорода.

Ядра стабильных изотопов образуются только при определенном соотношении чисел протонов и нейтронов. Точки, изображающие стабильные изотопы на плоскости (N, Z), группируются в пределах довольно узкой полосы. Для легких ядер число нейтронов приблизительно равно числу протонов, но с увеличением массового числа рост N опережает рост Z.