Что такое дефект массы

Энергия связи. Дефект масс

Урок 49. Физика 9 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Энергия связи. Дефект масс»

В ядре существуют силы особой природы — ядерные силы, которые действуют между нуклонами на расстояниях, сравнимыми с размерами самих ядер, и препятствуют взаимному электростатическому отталкиванию между протонами в ядре.

Таким образом, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, не взаимодействующие между собой, необходимо совершить работу по преодолению ядерных сил. Другими словами, сообщить ядру определённую энергию.

Так вот, минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Очевидно, что чем больше эта величина, тем стабильнее ядро.

— А каким образом можно определить величину энергии связи?

Самый простой способ определения этой энергии основан на одном замечательном законе природы, устанавливающим соотношение между массой тел и их энергией. Закон этот был открытым знаменитым учёным Альбертом Эйнштейном в 1905 году:

То есть, согласно этому закону, изменение массы тела влечёт за собой изменение энергии этого тела.

Из записанного соотношения видно, что ничтожному изменению массы тела соответствует значительное изменение энергии. Для примера подсчитаем, какое количество энергии выделится при уменьшении массы какого-нибудь тела на один грамм?

— А какое отношение имеет рассмотренный нами закон к подсчёту энергии связи атомных ядер?

Всё очень просто. Дело в том, что при образовании ядер из протонов и нейтронов освобождается энергия электромагнитного излучения, то есть излучаются фотоны, а энергия ядерной системы уменьшается. Следовательно, это явление должно вести за собой уменьшение массы, так как фотоны уносят с собой некоторую её часть. Значит масса получившегося ядра должна быть меньше суммы масс, входящих в него нуклонов. Эту разность масс называют дефектом массы ядра.

Иными словами, дефект масс — это разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра.

В соответствии с соотношением Эйнштейна между массой и энергией, дефект массы и характеризует энергию связи атомного ядра.

Обращаем ваше внимание на то, что при использовании данной формулы, массу входящих в неё частиц следует выражать в килограммах. Тогда значение полученной энергии связи будет выражено в джоулях.

Для примера, давайте рассчитаем энергию связи ядра изотопа лития-семь, если известна масса его ядра.

Как видим, энергии микромира крайне малы и работать с такими числами представляется крайне неудобным. Гораздо проще рассчитывать энергию связи в электронвольтах и мегаэлектронвольтах (эВ и МэВ).

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в один вольт.

Иначе говоря, величина одного электронвольта равна значению элементарного заряда в джоулях:

Но энергии связи таковы, что для их вычисления удобно использовать миллионы электронвольт, то есть мегаэлектронвольты (МэВ).

В этом случае формула для определения энергии связи примет вид:

Теперь обратим внимание на тот факт, что в таблице Менделеева и в таблицах масс изотопов приводятся, как правило, не массы ядер, а массы нейтральных атомов. Поэтому формулу для дефекта масс целесообразно преобразовать так, чтобы в неё входила не масса ядра, а масса соответствующего атома.

Ещё одной важной характеристикой в ядерной физике является удельная энергия связи. Так называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон.

Чем она больше, тем стабильнее оказывается ядро изотопа. Как правило, лёгкие ядра обладают достаточно малой удельной энергией связи (за исключением гелия два-четыре).

К середине таблицы Менделеева энергия связи достигает своего максимального значения, а к концу — вновь начинает убывать. Поэтому наиболее устойчивы ядра со средними значениями массовых чисел. Лёгкие ядра имеют тенденцию к слиянию (реакция синтеза), а тяжёлые — к распаду (реакция деления). Энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в процессе таких ядерных реакций, можно определить, если известны массы взаимодействующих и образующихся в результате этого взаимодействия ядер и частиц. Эту энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции.

Следует обратить внимание и на то, что синтез лёгких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжёлых ядер. Но подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому их называют термоядерными. Но о них мы с вами поговорим в ближайшее время.

Источник

дефект массы

В случае атомных ядер Д. м. даётся ф-лой

Для космич. объектов существен гравитац. Д. м. Напр., гравитац. Д. м. Солнца , белого карлика , нейтронной звезды той же массы . Гравитац. Д. м. звёздного скопления

Д. создаёт вокруг себя поле деформации кристалла, с к-рым взаимодействуют другие Д. Соответствующая энергия упругого взаимодействия двух Д. на больших расстояниях r между ними убывает как . Для узкозонных Д. характерная величина скорости перемещения мала по сравнению со скоростью звука, и поле деформации в кристалле с Д. можно определить по ф-лам теории упругости.

Кроме Д., соответствующих одиночным точечным дефектам, возможны Д., отвечающие связанным состояниям двух или трёх дефектов. В этом случае Д. делокализованы только вдоль определ. кристаллографич. осей или плоскостей, т. е. являются своеобразными одно-или двумерными квазичастицами в трёхмерном кристалле.

Лит.: Андреев А. Ф., Диффузия в квантовых кристаллах, «УФН», 1976, т. 118, с. 251. А. Э. Мейерович.

Источник

Что такое дефект массы

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие– притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

· Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

· Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W_св – величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро массой М_яд образовано из Z протонов с массой m_p и из (A – Z) нейтронов с массой m_n, то:

Вместо массы ядра М_яд величину ∆m можно выразить через атомную массу М_ат:

где m_Н – масса водородного атома. При практическом вычислении ∆m массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.). Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (a.e.э.): 1 а.е.э. = 931,5016 МэВ.

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

Удельной энергией связи ядраω_св называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

Величина ω_св составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. На рис. 9.2 приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа A, характеризующая различную прочность связей нуклонов в ядрах разных химических элементов. Ядра элементов в средней части периодической системы ( ), т.е. от до , наиболее прочны.

В этих ядрах ω_св близка к 8,7 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Ядра атомов химических элементов, расположенных в конце периодической системы (например ядро урана), имеют ω_св ≈ 7,6 МэВ/нуклон. Это объясняет возможность выделения энергии при делении тяжелых ядер. В области малых массовых чисел имеются острые «пики» удельной энергии связи. Максимумы характерны для ядер с четными числами протонов и нейтронов ( , , ), минимумы – для ядер с нечетными количествами протонов и нейтронов ( , , ).

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию , то оно находится в основном энергетическом состоянии. Если ядро имеет энергию , то оно находится в возбужденном энергетическом состоянии. Случай соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны. В отличие от энергетических уровней атома, раздвинутых на единицы электронвольтов, энергетические уровни ядра отстоят друг от друга на мегаэлектронвольт (МэВ). Этим объясняется происхождение и свойства гамма-излучения.

Данные об энергии связи ядер и использование капельной модели ядра позволили установить некоторые закономерности строения атомных ядер.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров ( ). Условие минимума энергии ядра приводит к следующему соотношению между Z_уст и А:

При малых и средних значениях А числа нейтронов и протонов в устойчивых ядрах примерно одинаковы: Z ≈ А – Z.

С ростом Z силы кулоновского отталкивания протонов растут пропорционально Z·(Z – 1)

Z 2 (парное взаимодействие протонов), и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно возрастать быстрее числа протонов.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Деление ядер. Радиоактивность. Атомная электростанция.

Источник

Что такое дефект массы

Дефект массы ядра. Возникновение дефекта массы, энергии связи, ядерных сил. Солнечные нейтрино.

В данной работе представлен механизм возникновения дефекта массы нейтрона, наличие которого является непременным условием для появления энергии связи и ядерных сил.

а) наличия кулоновских сил отталкивания между однозарядными протонами;

б) отсутствия нейтрона, который обязан быть в наличии;

в) отсутствия энергии связи, которая связывала бы протон и нейтрон.

Анализ этих требований (условий) приводит к очень простому выводу: образование дейтрона возможно только при контакте протона и «готового» нейтрона и при наличии дефекта массы у одного из них.

Процессы превращения протона в нейтрон с одновременным образованием дефекта массы приводятся ниже.

Часть 2. Исходные данные.

2.3. Бета—плюс—распад. Процесс превращения протона в нейтрон энергозатратный, поэтому в зону реакции требуется подвод энергии в размере 2,48 МэВ. Указанная подводимая энергия затрачивается на перестройку кварка(u) в кварк(d), которая сопровождается увеличением массы частицы. Итого: протон (938,27) + энергия (2,48 МэВ) = нейтрон (939,57) + позитрон (0,51) + нейтрино (0,68).

2.4. Электронный захват. Процесс также энергозатратный, поэтому кроме «готового» электрона в зону реакции требуется подвод энергии в размере 1,46 МэВ. Указанная подводимая энергия затрачивается на увеличение массы частицы. Итого: протон (938,27) + электрон (0,51) + энергия (1,46 МэВ) = нейтрон (939,57) + нейтрино (0,68).

Примечание-2.2:
а) оба процесса энергозатратные и требуют подвода энергии. Однако в то же время они сопровождаются «встречным» выбросом энергии 0,68 МэВ в виде нейтрино, которые образуются в результате частичной аннигиляции дробной частицы (+2/3) и электрона (—3/3);
б) схемы, материальные балансы и описание процессов превращения протона в нейтрон при бета-процессах приведены в работе «Появление видимой материи. Раздел 3. Бета-распад. Пункты 3.2.1. и 3.2.2.».

Часть 3. Возникновение дефекта массы.

3.1. Механизм возникновения дефекта массы представлен на примере реакции образования дейтрона. Эта реакция начинает цепочку протон-протонного цикла, который является одним из наиболее вероятных механизмов освобождения энергии, в ходе происходящих в недрах звезд (и Солнца) термоядерных реакций при которых водород превращается в гелий.

3.2. При таких параметрах расстояние между частицами составляет около 50 пикометров (без учета электронов). Несмотря на чудовищное давление, дальнейшему сжатию вещества и сближению частиц противодействуют кулоновские силы отталкивания протонов. В таких условиях классическое броуновское движение частиц (с распределением по скоростям) отсутствует, и все частицы находятся в состоянии относительного динамического равновесия, которое обусловлено балансом сил давления и отталкивания. Но даже в этих условиях все частицы испытывают непрерывные колебания, при которых они отклоняются от равновесного положения. При этом в некоторых случаях, преодолевая кулоновские силы отталкивания, происходят весьма значительные сближения двух протонов, что приводит к существенным напряжениям (и деформациям?) в их оболочках.

По-видимому, такие сближения происходят не при перемещении отдельных протонов, а при «подвижке» относительно друг друга отдельных групп из многих частиц, в результате чего на один протон одновременно (и суммарно) действуют кулоновские силы нескольких частиц.

3.3. В создавшейся ситуации эти два «напряженных» протона вынуждены адекватно реагировать, и они находят весьма простое и единственное решение, а именно: для снятия «невыносимых» напряжений в оболочках, кулоновское поле одного протона должно «исчезнуть». Поскольку это возможно только при смене заряда, то один из протонов (заряд +1) вынужден перестроиться в электронейтральный нейтрон. Превращение протона в нейтрон может происходить в двух случаях: при бета-плюс-распаде и при электронном захвате.

3.4. Образование дефекта массы у нейтрона при бета-плюс-распаде.

3.5. Образование дефекта массы у нейтрона при электронном захвате.

3.5.1. В солнечном веществе соотношение электронов и протонов составляет 1:1. Тем не менее, бета-превращения протона с захватом электрона происходят в незначительных количествах и их доля в цепочке протон-протонного цикла оценивается в размере около 0,23%. Это, по-видимому, связано с тем, что броуновское движение в Солнечном ядре практически отсутствует, а для классической реакции электронного захвата электрон должен обладать кинетической энергией.

3.5.2. Происходящий в недрах звезд процесс превращения протона в нейтрон при электронном захвате аналогичен классическому процессу, но происходит без подвода энергии извне. См. рис.2.

Рис. 2. Схема превращения протона в нейтрон при электронном захвате и образование дефекта массы у нейтрона.

3.5.3. Процесс также сопровождается появлением нейтрона с начальным дефектом массы и происходит в следующей последовательности:

а) электрон сближается с протоном;

б) электрон «вдавливается» вовнутрь протона. Дальнейшая перестройка протона в нейтрон происходит без образования электрон-позитронной пары;

в) «готовый» электрон (-1) вступает во взаимодействие с дробной частицей (+2/3) кварка u. В результате частичной аннигиляции выделяется нейтрино (0,68 МэВ) практически монохромного спектра и появляется новая дробная частица (-1/3). Формируется кварк d. На увеличение массы кварка используется материя оболочки протона в количестве 1,46 МэВ. На схеме эта затраченная материя условно показана в виде овала белого цвета (поз.1).

г) перестройка комбинации кварков uud в комбинацию udd завершена. Образуется «дефектный» нейтрон, у которого масса на 1,46 МэВ меньше, чем у «обычного» нейтрона. На рисунке эта недостающая масса нейтрона (образовавшийся дефект массы) условно изображен в виде выреза (поз.2).

3.5.4. Таким образом, при электронном захвате образовавшийся нейтрон уже «при рождении» имеет строго фиксированный начальный дефект массы в размере 1,46 МэВ.

3.6. При бета-перестройке протона в нейтрон одновременно происходят три важнейших события:

а) появляется нейтрон с «готовым» начальным дефектом массы ;

в) резко меняется время жизни нейтрона. Свободный нейтрон является энергоизбыточной частицей, поэтому он в течение 880сек распадается с выделением энергии. Однако поскольку появившиеся в недрах звезд «дефектные» нейтроны имеют недостачу массы, то такие нейтроны автоматически становятся энергонедостаточными и излишков энергии для перестройки кварка (d) в кварк (u) у них попросту нет. Поэтому их самопроизвольный распад становится весьма затруднительным и время жизни таких «дефектных» нейтронов становится несоизмеримо больше, чем время жизни одиночных нейтронов.

а) в недрах звезд при бета-перестройке протонов в нейтроны используется собственная материя оболочки (тела) протона, в результате чего все образовавшиеся нейтроны имеют строго фиксированный начальный дефект массы в размере 2,48 МэВ или 1,46 МэВ;

Часть 4. Образование дейтрона.

4.2. Однако образовавшиеся в недрах звезд нейтроны имеют строго фиксированный начальный дефект массы (энергию связи) в размере 2,48 МэВ (или 1,46 МэВ). Но в каждом атоме энергия связи между его частицами является строго индивидуальной величиной и для дейтерия она составляет 2,22 МэВ. Поэтому при образовании дейтрона возникает следующая ситуация:

а) энергия связи дейтрона точно определена и составляет 2,22 МэВ;

Рис. 3. Схема—1 образования дейтрона.

Процесс образования дейтрона происходит в следующей последовательности:

б) во всех источниках (например: Протон-протонный цикл. Википедия) указанная закономерность не учитывается и фигурирует рассчитанная по материальному балансу энергия в размере 0,42 МэВ. И только в Википедия-Deutsch просматривается попытка разобраться в существующей ситуации: в расчете появилась цифра 0,26 и дополнительно приведена (для сравнения?) довольно правильная схема цикла. К сожалению, сам расчет некорректен, но, тем не менее, прецедент имеется и попытка засчитана.

4.4. Образование дейтрона при начальном дефект массы у нейтрона в размере 1,46 МэВ происходит по примерно аналогичной схеме:

Рис. 4. Схема—2 образования дейтрона.

В этом случае процесс образования дейтрона происходит в следующей последовательности:

а) в недрах звезд образование дейтрона происходит только при контакте протона и «готового» нейтрона, у которого имеется начальный дефект массы ;

б) образование дейтрона происходит в два этапа:

Этап—1. Образование нейтрона с фиксированным начальным дефектом массы в размере 2,48МэВ или 1,46МэВ.

Этап—2. Объединение с протоном с одновременной корректировкой начального дефекта массы до «требуемых» 2,22МэВ;

Источник