Энергия связи ядер

Энергия связи ядра — энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составные части (нуклоны). Она равна разности суммарной массы входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на скорость света в квадрате (с2), т. е.

. (1).

где — массы протона, нейтрона и ядра.

Масса ядра не равна сумме масс, образующих ядро нуклонов. Разницу между ними называют дефектом масс.

. (2).

Дефект масс обусловлен сильным взаимодействием нуклонов в ядре, при образовании ядра из свободных нуклонов энергия выделяется и возникает дефект масс.

Взаимодействие нуклонов в ядре характеризуется удельной энергией связи (энергией связи, приходящейся на один нуклон).

.

где, А — массовое число. Удельная энергия связи ядер 6−8 МэВ. Это связано с насыщением ядерных сил.

Ядра называют магическими, если у них число протонов или нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Последнее число допустимо только для нейтрона. Происхождение и величина магических чисел находит объяснение в оболочечной модели ядра.

Если у ядра одновременно магическими являются как число протонов, так и нейтронов, то такое ядро называют дважды магическим, например, такими являются ядра, ,,. Эти ядра отличаются повышенной устойчивостью (большей удельной энергией связи) и широкой распространенностью в природе.

На рис. представлена кривая зависимости удельной энергии связи ядра от массового числа, А для наиболее стабильных изобаров с четными значениями, А (кривая Вейцзеккера). Атомы с одинаковым А, но различным Z (число протонов) называют изобарами. Атомы с одинаковыми Z, но различными N (число нейтронов) называют изотопами. Атомы с одинаковыми N, но различными Z называют изотонами.

Удельная энергия связи мало меняется при переходе от ядра к ядру и равна 8 МэВ. Удельная энергия связи имеет максимум при А56 (железо). Этот максимум составляет 8,8 МэВ. Замедление роста удельной энергии связи с последующим ее снижением для малых, А связано с поверхностной энергией, а затем (с ростом А) с кулоновским отталкиванием.

Из графика видно, что для легких ядер энергетически выгоден процесс слияния их с выделением ядерной энергии синтеза. Напротив, для тяжелых ядер энергетически выгоден процесс деления, сопровождающийся также выделением ядерной энергии. На этих процессах основана вся ядерная энергетика.