Атомне ядро- Це центральна частина атома, що складається з протонів і нейтронів (які разом називаються нуклонами).
Ядро було відкрито Е. Резерфордом у 1911 р. при дослідженні проходження α -Частинок через речовину. Виявилося, що майже вся маса атома (99,95%) зосереджена у ядрі. Розмір атомного ядра має порядок величини 10 -1 3 -10 - 12 см, що у 10 000 разів менше розміруелектронної оболонки.
Запропонована Е. Резерфордом планетарна модель атома та експериментальне спостереження ним ядер водню, вибитих α -частинками з ядер інших елементів (1919-1920 рр.), Привели вченого до уявлення про протоні. Термін протон було введено на початку 20-х рр. XX ст.
Протон (від грец. protons- Перший, символ p) - Стабільна елементарна частка, ядро атома водню.
Протон- Позитивно заряджена частка, заряд якої за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона e= 1,6 · 10 -1 9 Кл. Маса протона в 1836 разів більша за масу електрона. Маса спокою протону m р= 1,6726231 · 10 -27 кг = 1,007276470 а.о.м.
Другою частинкою, що входить до складу ядра, є нейтрон.
Нейтрон (від лат. neuter- ні той, ви інший, символ n) - це еле-ментарна частка, яка не має заряду, тобто нейтральна.
Маса нейтрону у 1839 разів перевищує масу електрона. Маса нейтрону майже дорівнює (трохи більше) масі протона: маса спокою вільного нейтрону m n= 1,6749286 · 10 -27 кг = 1,0008664902 а.о.м. і перевищує масу протона па 2,5 маси електрона. Нейтрон, наряду з протоном під загальною назвою нуклонвходить до складу атомних ядер.
Нейтрон було відкрито 1932 р. учнем Еге. Резерфорда Д. Чедвігом під час бомбардування берилію α -частинками. Випромінювання, що виникає при цьому, з великою проникаючою здатністю (долало перешкоду зі свинцевої пластини товщиною 10-20 см) посилювало свою дію при проходженні через парафінову пластину (див. малюнок). Оцінка енергії цих частинок по треках у камері Вільсона, зроблена подружжям Жоліо-Кюрі, і додаткові спостереження дозволили виключити початкове припущення, що це γ -Кванти. Велика проникаюча здатність нових частинок, названих нейтронами, пояснювалася їх електронейтральністю. Адже заряджені частинки активно взаємодіють із речовиною та швидко втрачають свою енергію. Існування нейтронів було передбачено Е. Резерфордом за 10 років до дослідів Д. Чедвіга. При попаданні α -Частинок в ядра берилію відбувається наступна реакція:
Тут символ нейтрона; заряд його дорівнює нулю, а відносна атомна маса приблизно дорівнює одиниці. Нейтрон - нестабільна частка: вільний нейтрон за час ~ 15 хв. розпадається на протон, електрон та нейтрино - частинку, позбавлену маси спокою.
Після відкриття Дж. Чедвіком нейтрона у 1932 р. Д. Іваненко та В. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували протонно-нейтронну (нуклонну) модель ядра. Відповідно до цієї моделі, ядро складається з протонів і нейтронів. Число протонів Zзбігається з порядковим номером елемента в таблиці Д. І. Менделєєва.
Заряд ядра Qвизначається числом протонів Z, що входять до складу ядра, і кратний абсолютну величину заряду електрона e:
Q = + Ze.
Число Zназивається зарядовим числом ядраабо атомним номером.
Масовим числом ядра Аназивається загальна кількість нуклонів, тобто протонів і нейтронів, що містяться в ньому. Число нейтронів у ядрі позначається буквою N. Таким чином, масове число дорівнює:
А = Z+N.
Нуклонам (протону і нейтрону) приписується масове число, що дорівнює одиниці, електрону - нульове значення.
Подання про склад ядра сприяло також відкриття ізотопів.
Ізотопи (від грец. isos- рівний, однаковий і topoa- місце) - це різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, атомні ядра яких мають однакове числопротонів ( Z) та різна кількість нейтронів ( N).
Ізотопами називаються також ядра таких атомів. Ізотопи є нуклідамиодного елемента. Нуклід (від лат. Nucleus- ядро) - будь-яке атомне ядро (відповідно атом) із заданими числами Zі N. Загальне позначення нуклідів має вигляд ……. де X- Символ хімічного елемента, A = Z + N- Масове число.
Ізотопи займають одне і те ж місце в Періодичній системі елементів, звідки і відбулася їхня назва. За своїми ядерними властивостями (наприклад, за здатністю вступати в ядерні реакції) ізотопи зазвичай істотно відрізняються. Хімічні (b майже так само фізичні) властивості ізотопів однакові. Це пояснюється тим, що Хімічні властивостіЕлементи визначаються зарядом ядра, оскільки саме він впливає на структуру електронної оболонки атома.
Винятком є ізотопи легенів. Ізотопи водню 1 Н — протий, 2 Н— дейтерій, 3 Н — тритійнастільки сильно відрізняються за масою, що і їх фізичні та хімічні властивості різні. Дейтерій стабільний (тобто не радіоактивний) і входить як невелика домішка (1: 4500) у звичайний водень. При поєднанні дейтерію з киснем утворюється важка вода. Вона за нормального атмосферного тиску кипить при 101,2 °З замерзає при +3,8 ºС. Тритій β -Радіоактивний з періодом напіврозпаду близько 12 років.
У всіх хімічних елементівє ізотопи. Деякі елементи мають лише нестабільні (радіоактивні) ізотопи. Для всіх елементів штучно отримані радіоактивні ізотопи.
Ізотопи урану.У елемента урану є два ізотопи - з масовими числами 235 і 238. Ізотоп становить всього 1/140 частина від більш поширеного.
Багато років тому люди ставили питання, з чого складаються всі речовини. Першим, хто спробував на нього відповісти, був давньогрецький вчений Демокріт, який вважав, що всі речовини складаються з молекул. Тепер відомо, що молекули будуються із атомів. Атоми складаються із ще дрібніших частинок. У центрі атома знаходиться ядро, у складі якого протони та нейтрони. Навколо ядра рухаються орбітами найдрібніші частинки – електрони. Їхня маса мізерно мала в порівнянні з масою ядра. А ось як знайти масу ядра, допоможуть лише розрахунки та знання хімії. Для цього потрібно визначити кількість в ядрі протонів та нейтронів. Подивитися табличні значення мас одного протону та одного нейтрону та знайти їх загальну масу. Це буде маса ядра.
Часто можна натрапити на таке питання, як знайти масу, знаючи швидкість. Згідно з класичними законами механіки, маса не залежить від швидкості тіла. Адже, якщо автомобіль, рушаючи з місця, починає набирати свою швидкість, це зовсім не означає, що його маса зростатиме. Проте, на початку ХХ століття Ейнштейн представив теорію, за якою ця залежність існує. Цей ефект називається релятивістське збільшення маси тіла. І проявляється він тоді, коли швидкості тіл наближаються до швидкості світла. Сучасні прискорювачі заряджених частинок дозволяють розігнати протони та нейтрони до таких великих швидкостей. І насправді в цьому випадку зафіксовано збільшення їхньої маси.
Але ми поки що живемо у світі високих технологій, але невеликих швидкостей. Тому, щоб знати, як розрахувати масу речовини, зовсім не потрібно розганяти тіло до швидкості світла і вчити теорію Ейнштейна. Масу тіла можна виміряти на терезах. Щоправда, не кожне тіло можна покласти на ваги. Тому є інший спосіб розрахунку маси за його щільністю.
Навколишнє повітря, повітря, яке так необхідне людству, теж має свою масу. І, вирішуючи завдання, як визначити масу повітря, наприклад, у кімнаті, необов'язково підраховувати кількість молекул повітря та підсумовувати масу їх ядер. Можна просто визначити об'єм кімнати та помножити його на щільність повітря (1,9 кг/м3).
Вчені в даний час з величезною точністю навчилися розраховувати маси різних тіл, від ядер атомів і до маси земної кулі і навіть зірок, що знаходяться від нас на відстані кілька сотень світлових років. Маса, як фізична величинає мірою інертності тіла. Більш масивні тіла, кажуть, інертніші, тобто повільніше змінюють свою швидкість. Тому все-таки швидкість і маса виявляються взаємопов'язаними між собою. Але Головна особливістьцієї величини – це те, що будь-яке тіло чи речовина має масу. Немає у світі тієї матерії, яка б не мала багато!
Вивчаючи склад речовини, вчені дійшли висновку, що вся матерія складається з молекул та атомів. Довгий час атом (у перекладі з грецької "неподільний") вважався найменшою конструкційною одиницею речовини. Однак подальші дослідження показали, що атом має складну будову і, у свою чергу, включає дрібніші частинки.
З чого складається атом?
У 1911 році вчений Резерфорд висловив припущення, що в атомі є центральна частина, що має позитивний заряд. Так уперше з'явилося поняття про атомне ядро.
За схемою Резерфорда, названої планетарною моделлю, атом складається з ядра і елементарних частинокз негативним зарядом - електронів, що рухаються навколо ядра, подібно до того, як планети звертаються по орбіті навколо Сонця.
У 1932 році інший учений, Чедвік, відкрив нейтрон - частинку, яка не має електричного заряду.
Згідно з сучасними уявленнями, ядра відповідає планетарній моделі, запропонованій Резерфордом. Ядро несе у собі велику частину атомної маси. Також він має позитивний заряд. В атомному ядрі знаходяться протони – позитивно заряджені частинки та нейтрони – частинки, що не несуть заряду. Протони та нейтрони називаються нуклонами. Негативно заряджені частинки - електрони - рухаються орбітою навколо ядра.
Кількість протонів в ядрі дорівнює рухомих орбітою. Отже, сам атом є часткою, яка не несе заряду. Якщо атом захопить чужі електрони чи втратить свої, він стає позитивним чи негативним і називається іоном.
Електрони, протони та нейтрони узагальнено називають субатомними частинками.
Заряд атомного ядра
Ядро має зарядове число Z. Воно визначається кількістю протонів, що входять до складу атомного ядра. Дізнатися цю кількість просто: достатньо звернутися до періодичної системи Менделєєва. Порядковий номер елемента, якому належить атом, дорівнює кількості протонів у ядрі. Таким чином, якщо хімічному елементу кисню відповідає порядковий номер 8, то кількість протонів теж дорівнюватиме восьми. Оскільки кількість протонів та електронів в атомі збігається, то електронів теж буде вісім.
Кількість нейтронів називають ізотопічним числом і позначають буквою N. Їх число може різнитися в атомі одного й того самого хімічного елемента.
Сума протонів і електронів у ядрі називається масовим числом атома і позначається буквою А. Отже, формула підрахунку масового числа має такий вигляд: А=Z+N.
Ізотопи
У разі коли елементи мають рівну кількість протонів і електронів, але різне число нейтронів, їх називають ізотопами хімічного елемента. Ізотоп може бути один або кілька. Вони поміщаються в один і той же осередок періодичної системи.
Ізотопи мають велике значення в хімії та фізиці. Наприклад, ізотоп водню – дейтерій – у поєднанні з киснем дає зовсім нову субстанцію, яку називають важкою водою. Вона має іншу температуру кипіння та замерзання, ніж нормальна. А поєднання дейтерію з іншим ізотопом водню - тритієм призводить до термоядерної реакції синтезу і може використовуватися для вироблення величезної кількості енергії.
Маса ядра та субатомних частинок
Розміри та маса атомів і мізерно малі в уявленнях людини. Розмір ядер складається приблизно 10 -12 см. Масу атомного ядра вимірюють у фізиці у про атомних одиницях маси - а.е.м.
За одну а. приймають одну дванадцяту частину маси атома вуглецю. Використовуючи звичні одиниці виміру (кілограми та грами), масу можна виразити такою рівністю: 1 а.е.м. = 1,660540 · 10 -24 р. Виражена таким чином, вона називається абсолютною атомною масою.
Незважаючи на те, що атомне ядро є наймасивнішою складовою атома, його розміри щодо електронної хмари, що оточує його, надзвичайно малі.
Ядерні сили
Атомні ядра є надзвичайно стійкими. Це означає, що протони та нейтрони утримуються в ядрі якимись силами. Це не можуть бути електромагнітні сили, оскільки протони є однойменно зарядженими частинками, а відомо, що частинки, що мають однаковий заряд, відштовхуються одна від одної. Гравітаційні сили надто слабкі, щоб утримати нуклони разом. Отже, частки утримуються в ядрі іншою взаємодією - ядерними силами.
Ядерна взаємодія вважається найсильнішою з усіх існуючих у природі. Тому цей тип взаємодії між елементами атомного ядра називають сильним. Воно присутнє у багатьох елементарних частинок, як і електромагнітні сили.
Особливості ядерних сил
- Короткодія. Ядерні сили, на відміну електромагнітних, виявляються лише з дуже малих відстанях, порівнянні з розмірами ядра.
- Зарядова незалежність. Ця особливість проявляється в тому, що ядерні сили діють однаково на протони та нейтрони.
- Насичення. Нуклони ядра взаємодіють лише з певною кількістю інших нуклонів.
Енергія зв'язку ядра
З поняттям сильної взаємодії тісно пов'язане інше – енергія зв'язку ядер. Під енергією ядерного зв'язку розуміють ту кількість енергії, яку потрібно, щоб розділити атомне ядро на його нуклони. Вона дорівнює енергії, яка потрібна на формування ядра з окремих частинок.
Для обчислення енергії зв'язку ядра потрібно знати масу субатомних частинок. Обчислення показують, що маса ядра завжди менше, ніж сума нуклонів, що входять до його складу. Дефектом маси називають різницю між масою ядра та сумою його протонів та електронів. За допомогою зв'язку маси та енергії (Е=mc 2) можна обчислити енергію, вироблену при утворенні ядра.
Про силу енергії зв'язку ядра можна судити за таким прикладом: при утворенні кількох грамів гелію виробляється стільки ж енергії, скільки при згорянні кількох тонн кам'яного вугілля.
Ядерні реакції
Ядра атомів можуть взаємодіяти з іншими атомами. Такі взаємодії називаються ядерними реакціями. Реакції бувають двох типів.
- Реакції поділу. Вони відбуваються, коли важчі ядра внаслідок взаємодії розпадаються більш легкі.
- Реакція синтезу. Процес, зворотний поділу: ядра зіштовхуються, цим утворюючи важчі елементи.
Усі ядерні реакції супроводжуються викидом енергії, яка згодом використовується у промисловості, у військовій сфері, в енергетиці тощо.
Ознайомившись із складом атомного ядра, можна зробити такі висновки.
- Атом складається з ядра, що містить протони і нейтрони, та електронів, що знаходяться навколо нього.
- Масове число атома дорівнює сумі нуклонів його ядра.
- Нуклони утримуються сильною взаємодією.
- Величезні сили, що надають атомному ядру стабільності, називаються енергіями зв'язку ядра.
Ізогони. Ядро атома водню – протон (р) – найпростіше ядро. Його позитивний заряд по абсолютній величині дорівнює заряду електрона. Маса протона дорівнює 1,6726-10'2 кг. Протон як частка, що входить до складу атомних ядер, відкрито Резерфордом у 1919 р.
Для експериментального визначення мас атомних ядер застосовувалися та застосовуються мас-спектрометри.Принцип мас-спектрометрій, вперше запропонований Томсоном (1907), полягає у використанні фокусуючих властивостей електричних і магнітних полів по відношенню до пучок заряджених частинок. Перші мас-спектрометри з досить високою роздільною здатністю були сконструйовані 1919 р. Ф.У. Астоном та А. Демп-стром. Принцип дії мас-спектрометра показаний на рис. 1.3.
Оскільки атоми та молекули електрично нейтральні, їх необхідно попередньо іонізувати. Іони створюються в іонному джерелі шляхом бомбардування швидкими електронами пари досліджуваної речовини і потім, після прискорення в електричному полі (різниця потенціалів V)виходять у вакуумну камеру, потрапляючи в область однорідного магнітного поляВ. Під його дією іони починають рухатися по колу, радіус якого гможна знайти з рівності сили Лоренца та відцентрової сили:
де М-маса іона. Швидкість руху іонів визначається співвідношенням
Рис. 1.3.
Прискорюючу різницю потенціалів У абонапруженість магнітного поля Уможна підібрати так, щоб іони з однаковими масами потрапляли в одне місце г фотопластинки або іншого позиційно-чутливого детектора. Тоді, знаходячи максимум мас-спсктромстричного сигналу і користуючись формулою (1.7), можна визначити і масу іона М. 1
Виключаючи швидкість vз (1.5) та (1.6), знайдемо, що
Розвиток техніки мас-спектрометрії дозволило підтвердити висловлене ще 1910 р. Фредериком Содді припущення у тому, що дробові (в одиницях маси атома водню) атомні маси хімічних елементів пояснюються існуванням ізотопів- Атомів з однаковим зарядом ядра, але різними масами. Завдяки піонерським дослідженням Астона було встановлено, що більшість елементів справді складається із суміші двох або більше природних ізотопів. Винятком є порівняно небагато елементів (F, Na, Al, Р, Аі та ін), які називають моноізотопними. Число природних ізотопів одного елемента може досягати 10 (Sn). Крім того, як з'ясувалося пізніше, у всіх без винятку елементів є ізотопи, що мають властивість радіоактивності. Більшість радіоактивних ізотопів не зустрічається в природі, вони можуть бути лише штучно. Елементи з атомними номерами 43 (Тс), 61 (Pm), 84 (Ро) та вище мають лише радіоактивні ізотопи.
Прийнята сьогодні у фізиці та хімії міжнародна атомна одиниця маси (а.е.м.) – це 1/12 маси найбільш поширеного в природі ізотопу вуглецю: 1 а.е.м. = 1,66053873 * 10 "кг. Вона близька до атомної маси водню, хоч і не дорівнює їй. Маса електрона становить приблизно 1/1800 а. У сучасних мас-снектромефах відносна похибка вимірювання маси
AMfM= 10 -10 , що дозволяє вимірювати різниці мас лише на рівні 10 -10 а.е.м.
Атомні маси ізотопів, виражені в а.е.м. майже точноцілими. Таким чином, кожному атомному ядру можна приписати його. масове число А(ціле), наприклад, Н-1, Н-2, Н-З, С-12, 0-16, Cl-35, С1-37 і т.п. Остання обставина відродила на новій основі інтерес до гіпотези У. Проута (1816), згідно з якою всі елементи побудовані з водню.
Заряд ядра
Ядро будь-якого атома заряджено позитивно. Носієм позитивного заряду є протон. Оскільки заряд протона чисельно дорівнює заряду електрона $e$, можна записати що заряд ядра дорівнює $+Ze$ ($Z$ -- ціле число, що свідчить про порядковий номер хімічного елемента в періодичної системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва). Число $Z$ також визначає кількість протонів в ядрі та кількість електронів в атомі. Тому його називають атомним номером ядра. Електричний заряд є однією з основних характеристик атомного ядра, від якого залежить оптичні, хімічні та інші властивості атомів.
Маса ядра
Іншою важливою характеристикою ядра є маса. Масу атомів і ядер прийнято виражати атомних одиницях маси (а.е.м.). за атомну одиницю маси прийнято вважати $1/12$ маси нукліду вуглецю $^(12)_6C$:
де $ N_A = 6,022 \ cdot 10 ^ (23) \ моль ^-1 $ - число Авогадро.
Відповідно до співвідношення Ейнштейна $E=mc^2$, масу атомів також виражають у одиницях енергії. Оскільки:
- маса протона $ m_p = 1.00728 а.е.м. = 938,28 МеВ $,
- маса нейтрона $ m_n = 1.00866 а.е.м. = 939,57 МеВ $,
- маса електрона $ m_e = 5,49 \ cdot 10 ^ (-4) \ а.е.м. = 0,511 \ МеВ $,
Як видно, маса електрона зневажливо мала в порівнянні з масою ядра, то маса ядра майже збігається з масою атома.
Маса відрізняється від цілих чисел. Маса ядра, виражена в а. і округлена до цілого числа називається масовим числом, що позначається буквою $A$ і визначає кількість нуклонів в ядрі. Число нейтронів у ядрі дорівнює $ N = A-Z $.
Для позначення ядер застосовується символ $^A_ZX$, де $X$ має на увазі хімічний символ даного елемента. Атомні ядра з однаковою кількістю протонів, але різними масовими числами називають ізотопами. У деяких елементах кількість стабільних і нестабільних ізотопів досягає десятків, наприклад, уран має $14$ ізотопів: від $^(227)_(92)U\ $до $^(240)_(92)U$.
Більшість хімічних елементів існуючих у природі, є сумішшю декількох ізотопів. Саме наявність ізотопів пояснює той факт, що деякі природні елементи мають масу, яка відрізняється від цілих чисел. Наприклад, природний хлор складається з $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ і $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, яке атомна маса дорівнює $35,5$ а.е .м. у більшості атомів, крім водню, ізотопи мають майже однакові фізичні та хімічні властивості. Але за своїми виключно ядерними властивостями ізотопи суттєво різняться. Одні з них можуть бути стабільними, інші – радіоактивними.
Ядра з однаковими масовими числами, але різними значеннями$Z$ називають ізобарами, наприклад, $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Ядра з однаковою кількістю нейтронів називають ізотонами. Серед легких ядер зустрічаються звані «дзеркальні» пари ядер. Це такі пари ядер, у яких числа $Z$ і $A-Z$ змінюються місцями. Прикладами таких ядер можуть бути $^(13)_6C$ і $^(13_7)N$ або $^3_1H$ і $^3_2He$.
Розмір атомного ядра
Вважаючи атомне ядро приблизно сферичним, можна запровадити поняття його радіуса $R$. Зазначимо, що у деяких ядрах є невелике відхилення від симетрії у розподілі електричного заряду. Крім того, атомні ядра не статичні, а динамічні системи, і поняття радіуса ядра не можна представляти як радіус кулі. З цієї причини за розміри ядра необхідно брати ту область, в якій проявляються ядерні сили.
При створенні кількісної теорії розсіювання $ alpha $ - частинок Еге. Резерфорд виходив з припущень, що атомне ядро і $ alpha $ - частка взаємодіють за законом Кулона, тобто. що електричне поле навколо ядра має сферичну симетрію. Розсіювання $\alpha $ -- частки відбувається у повній відповідності до формули Резерфорда:
Це має місце для $ \ alpha $ -- частинок енергія яких $ E $ досить мала. При цьому частка не здатна подолати кулоновський потенційний бар'єр і згодом не досягає сфери дії ядерних сил. Зі збільшенням енергії частки до деякого граничного значення $E_(гр)$ $\alpha $ - частка досягає цього кордону. Тога в розсіюванні $ \ alpha $ - Часток спостерігається відхилення від формули Резерфорда. Зі співвідношення
Досліди показують, що радіус $R$ ядра залежить від кількості нуклонів, що входять до складу ядра. Ця залежність може виражатися емпіричною формулою:
де $ R_0 $ - постійна, $ A $ - масове число.
Розміри ядер визначають експериментально розсіювання протонів, швидких нейтронів або електронів високих енергій. Існує низка інших непрямих методів визначення розмірів ядер. Вони обгрунтовані на зв'язку час життя $ alfa $ - радіоактивних ядер з енергією випущених ними $ alpha $ - частинок; на оптичних властивостях, так званих, мезоатомів, у яких один із електронів тимчасово захоплений мюоном; порівняно енергії зв'язку пари дзеркальних атомів. Ці методи підтверджують емпіричну залежність $R=R_0A^(1/3)$, а також за допомогою цих вимірювань встановлено значення постійної $R_0=\left(1,2-1,5right)cdot 10^(-15) \ м $.
Зазначимо також, що за одиницю відстаней в атомній фізиці та фізиці елементарних частинок беруть одиницю виміру «фермі», який дорівнює $(10)^(-15)\ м$ (1 ф=$(10)^(-15)\ м ) $.
Радіуси атомних ядер залежать від їх масового числа і знаходяться в проміжку від $2\dot 10^(-15)\ м\ до\ 10^(-14)\м$. якщо з формули $R=R_0A^(1/3)$ виразити $R_0$ і записати його у вигляді $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, то можна побачити що кожен нуклон припадає приблизно однаковий обсяг. Це означає, що щільність ядерної речовини для всіх ядер так само приблизно однакова. Виходячи з існуючих відомостей про розміри атомних ядер, знайдемо середнє значення густини речовини ядра:
Як бачимо, густина ядерної речовини дуже велика. Це зумовлено дією ядерних сил.
Енергія зв'язку. Дефект мас ядер
При порівнянні суми мас спокою нуклонів, які утворюють ядро з масою ядра, було помічено, що для всіх хімічних елементів справедлива нерівність:
де $m_p$ - маса протона, $m_n$ - маса нейтрона, $m_я$ - маса ядра. Величину $\triangle m$, що виражає різницю мас між масою нуклонів, що утворюють ядро, та масою ядра, називають дефектом маси ядра
Важливі відомості про властивості ядра можна отримати, не вникаючи в подробиці взаємодії між нуклонами ядра, на підставі закону збереження енергії та закону пропорційності маси та енергії. Оскільки в результаті будь-якої зміни маси $ triangle m $ відбувається відповідна зміна енергії $ triangle E $ ($ triangle E = triangle mc ^ 2 $), то при утворенні ядра виділяється певну кількість енергії. За законом збереження енергії таку кількість енергії потрібно, щоб розділити ядро на складові частки, тобто. віддалити нуклони один від одного на такі самі відстані, при яких відсутня взаємодія між ними. Цю енергію називають енергією зв'язку ядра.
Якщо ядро має $Z$ протонів і масове число $A$, то енергія зв'язку дорівнює:
Зауваження 1
Зазначимо, що цією формулою не дуже зручно скористатися, т.к. у таблицях наводиться не маси ядер, а маси, що визначають маси нейтральних атомів. Тому для зручності обчислень формулу перетворять таким чином, щоб до неї входили маси атомів, а не ядер. З цією метою у правій частині формули додамо і заберемо масу $Z$ електронів $(m_e)$. Тоді
\c^2==\leftc^2.\]
$m_(()^1_1H)$ - маса атома водню, $m_a$ - маса атома.
У ядерній фізиці енергію часто виражають у мегаелектрон-вольтах (МеВ). Якщо йдеться про практичному застосуванніядерної енергії, то її вимірюють у джоулях. У разі порівняння енергії двох ядер використовують масову одиницю енергії - співвідношення між масою та енергією ($E=mc^2$). Масова одиниця енергії ($le$) дорівнює енергії, що відповідає масі одну а.е.м. Вона дорівнює $931,502$ МеВ.
Малюнок 1.
Окрім енергії, важливе значення має питома енергія зв'язку - енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон: $ w = E_ (св) / A $. Ця величина змінюється порівняно повільно порівняно зі зміною масового числа $A$, маючи майже постійну величину$8.6$ МеВ в середній частині періодичної системи та зменшується до її країв.
Наприклад розрахуємо дефект маси, енергію зв'язку та питому енергію зв'язку ядра атома гелію.
Дефект маси
Енергія зв'язку в МеВ: $ E_ (св) = triangle m cdot 931,502 = 0,030359 cdot 931,502 = 28,3 МеВ $;
Питома енергія зв'язку: $w=\frac(E_(св))(A)=\frac(28,3\ МеВ)(4\approx 7.1\ МеВ).