Состав ядра атома. Энергия связи атомных ядер. Дефект масс

Открытие протона
В 1913 г. Э. Резерфорд выдвинул гипотезу, что одной из частиц , входящих в ядро атома любого химического элемента должно быть ядро атома водорода, т.к. было известно, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз.
Э. Резерфорд

Открытие нейтрона
Английский ученый Дж. Чедвик выдвинул гипотезу о существовании нейтральных частиц, близких по размерам и массе к протонам.
Эти частицы он назвал нейтронами.
При прохождении через вещество нейтроны не теряют энергию на ионизацию атомов вещества, поэтому имеют огромную проникающую способность.
Дж. Чедвик

Протонно–нейтронная модель ядра
Дмитрий Дмитриевич Иваненко
(1904-1994)
Вернер Карл
Гейзенберг
(1901-1976)
Советский физик
Д. Д. Иваненко
и В.Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра: ядра состоят из элементарных частиц двух сортов: протонов и нейтронов.

Протонно-нейтронная модель ядра
Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов;
- заряд ядра обусловлен только протонами;
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
- число нейтронов равно разности между атомным числом и числом протонов

Ядерные силы
Силы, которые скрепляют отдельные протоны и
нейтроны в ядре, называются ядерными,
а соответствующее взаимодействие – сильным.

Ядерные силы короткодействующие (радиус действия 10-15 м)
Ядерные силы >> сил электрического взаимодействия зарядов.
Ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их заряда(протон-протон, нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон).
Каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным
числом ближайших к нему нуклонов.

Ядро атома химического элемента
X – символ химического элемента.

А – массовое число, которое показывает :
- массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода);
- число нуклонов в ядре;
A = N + Z
где N – число нейтронов в ядре атома.

Размеры атомных ядер
Так как для ядер существенны квантовые законы поведения, то они не имеют четко определенных границ.
Можно говорить только о некотором среднем радиусе ядра.
С увеличением массового числа радиус ядра увеличивается:

Энергия связи нуклонов в ядре
Энергия связи атомных ядер –
та энергия, которая необходима
для полного расщепления ядра
на отдельные частицы.
Уравнение Эйнштейна
связывающее массу и энергию:
Альберт Эйнштейн
(1879 - 1955)

Дефект массы
Масса покоя ядра Мя всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов:
Дефект массы:

Есв = Δm∙c2
Δm – дефект массы ядра
с – скорость света в вакууме
Мерой энергии связи атомного ядра является
дефект масс – разность между суммарной
массой всех нуклонов ядра в свободном
состоянии и массой ядра mя
Δm = Zmp + (A – Z)∙mn - mя
Z – число протонов;
mp – масса протона, ≈ 1,00728 а.е.м.
mn – масса нейтрона, ≈ 1,00867 а.е.м.

В ядерной физике энергия выражается через атомную
единицу энергии (а.е.э.), которая соответствует
одной атомной единице массы:
1 а.е.м. = 1а.е.м. ∙ с2 = 1,67∙10-27 ∙ 9∙1016 =
= 1,5∙10-10 Дж = 931,1 МэВ
1 эВ = 1,6∙10-19 Кл ∙1 В = 1,6∙10-19 Дж
c = 3∙108 м/с

Формула для нахождения энергии связи
где
- дефект массы,
- скорость света в вакууме

Удельная энергия связи
- это энергия связи, приходящаяся на один нуклон. - если не считать самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.