11.4. Дефект массы и энергия связи ядер

11.4. Дефект массы и энергия связи ядер
Ядра всех элементов составлены из одинаковых протонов и нейтронов, это давало основание
до поры считать, что для определения массы ядра достаточно сложить массы всех, входящих в
ядро, частиц. В классической физике аддитивность массы не вызывала сомнений в виду полнейшей очевидности. Применительно к ядру всё оказалось сложнее. Масса ядра не равна в точности
сумме масс нуклонов.
Чтобы удалить протон или нейтрон из сложного устойчивого ядра, необходимо затратить некоторую энергию. Убыль энергии при объединении частиц в ядро эквивалентна, согласно соотношению Хевисайда - Эйнштейна Е = mс2, уменьшению массы. Масса образующегося ядра меньше
суммарной массы составляющих его частиц. Например, наибольшая потеря массы получается при
образовании атома гелия. Сумма масс частиц He 42 равна 2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона = 1
атом гелия, (2⋅1,00727 +2⋅1,00865+2⋅0,00055 = 4,03294 а.е.м), а по табличным данным масса атома
гелия равна 4,00261 а.е.м. Атомная масса гелия оказывается на 0,3033 а.е.м. меньше. Такая характерная особенность наблюдается для любого нуклида. Масса целого атома всегда получается
меньшей суммы масс составляющих его частей. Это явление называется дефектом масс.
Данный эффект имеет совершенно простое и очевидное объяснение. Ядра атомов представляют собой сложные образования, возникшие в процессе зарождения Солнечной системы. Ядра
существующих в настоящее время элементов образовались путем слияния элементарных частиц.
Как и в большинстве, самопроизвольно протекающих процессов, это объединение сопровождалось минимизацией энергии; часть энергии при этом высвобождалась. Поскольку чудеса в Мире
встречаются редко, то и в данном случае источником энергии могли быть только объединяющиеся
частицы. Высвобождение энергии неизбежно должно было привести к уменьшению их массы.
Количественно точная величина этого «изъятия» в каждом отдельном случае вновь определяется из соотношения Хевисайда Эйнштейна. Оценим энергетический эквивалент массы для ядра
гелия, которое представляет собой, по сути, α − частицу
E = Δmc 2 ≅ 28,2 МэВ.
(11.15)
Для сравнения отметим, что количество тепла, выделяющегося при сгорании одного моля топлива,
примерно в миллион раз меньше.
Чтобы α − частица распалась, необходимо подвести к нему энергию не меньшую (11.15). α − частица образование
чрезвычайно устойчивое, поэтому при
спонтанном распаде ядра α − частица генерируется как целый объект.
Энергия связи, приходящаяся на
один нуклон в ядре, называется удельной
энергией связи. На рисунке 11.5 представлена зависимость удельной энергии
связи ΔЕ/А в зависимости от массового
числа А ядра. Сильнее всего нуклоны
связаны в ядрах элементов с массовыми
числами 50 − 60. Максимальная энергия
связи для этой группы достигает 8,7
МэВ/нуклон и при дальнейшем росте А
238
постепенно убывает. Для U 92
удельная
энергия
связи
составляет
7,5
МэВ/нуклон.
Не безынтересно, с позиций энергии
Рис.11.5. Зависимость энергии связи от массового
связи, окинуть взором всю таблицу элечисла ядра [17]
ментов. Если мы сравним энергии связи
с теми, что высвобождаются при объединении атомов в молекулы или в других процессах, проис46
ходящих в атомных оболочках, то увидим, что ядерные энергии в миллионы раз превышают энергии последних. Именно поэтому дефекты масс в химических или других подобных процессах
столь малы, что практически их невозможно измерить. Для этих процессов справедлив классический закон сохранения массы в своей обычной форме.
Один из изотопов водорода, с массой вдвое превышающей массу протона, сыграл в ядерной
физике исключительную роль. Ядро этого изотопа получило название − дейтрон (D), что означает
− второй. Дейтрон состоит из протона и нейтрона и является одним из простейших ядер, содержащих более чем одну частицу.
Химические и физические свойства лёгкого и тяжёлого изотопа водорода оказались во многом
различными, в этой связи тяжелому изотопу водорода было дано «персональное имя» – дейтерий
( Deuterium) и его принято рассматривать как самостоятельный химический элемент. В частности,
дейтерий может входить в состав сложных молекул, например воды H 2 O . Новые образования на
основе дейтерия HDO, D 2 O обладают различными молекулярными массами.
Точная масса атома дейтерия равна 2,0147 а.е.м. Свойства тяжелой воды D 2 O отличаются от
свойств обычной воды H 2 O . Точка замерзания тяжёлой воды на 3,8°С, а точка кипения на 1,4°С
выше, чем у обычной воды.
Дейтерий широко используется в атомной энергетике, он является одним из лучших замедлителей нейтронов в атомных реакторах. По замедлительным свойствам дейтерий в 170 раз превосходит обычную воду, в 75 раз бериллий и − в 70 раз графит.
47