Энергия связи атомных ядер
Урок 49. Физика 11 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 атомных ядер»
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.Следовательно, 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. Чем она больше, тем стабильнее ядро. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Самый простой способ определения энергии связи основан на одном замечательном законе природы, устанавливающим соотношение между массой тел и их энергией. Из этого закона следует, что изменение массы тела влечёт за собой изменение энергии этого тела. При этом даже ничтожному изменению массы тела соответствует значительное изменение энергии.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. С изобретением масс-спектрографов физики получили возможность измерять массы микрочастиц с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:
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. Здесь же обратим ваше внимание на то, что энергия связи ядра намного порядков превышает энергию связи электронов с атомом (энергию ионизации). Поэтому при расчётах энергию связи электронов с атомом обычно не учитывают.
Давайте теперь для примера рассчитаем энергию связи ядра изотопа гелия-4.
Как видим, энергии микромира крайне малы и работать с такими числами представляется крайне неудобным. Гораздо проще рассчитывать энергию связи в электронвольтах и мегаэлектронвольтах.
Давайте вспомним, что 1эВ равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов 1 В. Проще 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.
В этом случае массу частиц лучше всего выражать в энергетических единицах. Связь между различными единицами массы:
В этом случае формула для определения энергии связи примет вид:
Обратите внимание на тот факт, что обычно в таблицах приводятся массы атомов, а не массы ядер. Поскольку при таком подходе учитываются и массы электронов, то для вычисления энергии связи ядра в этом случае целесообразно преобразовать формулу так, чтобы в неё входила не масса ядра, а масса соответствующего атома. Для этого вспомним, что масса ядра есть разность между массой атома и массой всех его электронов. Преобразуем формулу для дефекта масс с учётом последнего уравнения.
В полученном выражении первым слагаемым у нас стоит произведение зарядового числа на сумму масс протона и электрона. В природе существует единственный элемент, в ядре которого находится один протон, а вокруг ядра вращается один электрон — это атом водорода. Поэтому формула для дефекта масс примет вид, показанный на экране:
Ещё одной важной характеристикой в ядерной физике является удельная энергия связи. Так называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу:
Соответственно, чем больше значение удельной энергии связи, тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, и тем прочнее ядро.
Как правило, лёгкие ядра обладают достаточно малой удельной энергией связи. К середине таблицы Менделеева энергия связи достигает своего максимального значения. А к концу — вновь начинает убывать.
Из графика зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре видно, что при смещении ядер к центральной части графика удельная энергия связи увеличивается, следовательно, любые ядерные реакции, приводящие к такому смещению, являются энергетически выгодными (сопровождаются выделением энергии). Как видно из графика, подобное смещение возможно при реакциях синтеза лёгких ядер в области изменения массового числа примерно 0 → 50 и при реакциях деления тяжёлых ядер в области изменения массового числа примерно 250 → 60. При этом реакции синтеза должны идти мощнее, поскольку подъем графика происходит круче, чем последующее уменьшение удельной энергии связи.
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. При этом, если в процессе ядерной реакции энергия выделяется, то реакцию называют экзотермической, если же энергия поглощается — то эндотермической:
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Определение — энергия — связь
Второй метод определения энергии связи предусматривает использование закона Гесса. [16]
Второй метод определения энергии связи заключается в исследовании зависимости прироста удельного электросопротивления при закалке в зависимости от температуры закалки. [17]
В методах определения энергий связи по потенциалам появления содержится в явном или неявном виде предположение о том, что осколочные ионы имеют структуру основного состояния, образованного с минимальными изменениями структуры исходной молекулы. Это предположение является одним из возможных источников ошибок ( разд. В этом разделе не будет более обсуждаться определение энергий связи и внимание будет сосредоточено на вопросах установления структуры ионов. [18]
Прямым способом определения энергии связи частиц , адсорбированных на поверхности, является также регистрация температуры, при которой происходит десорбция в процессе нагрева образца. [19]
Работы по определению энергий связи с катализатором проводятся нами с целью их использования в уравнениях (1.9) — (1.12) при разработке теории подбора катализаторов. [20]
Почему при определении энергий связи адсорбированной частицы с катализатором не учитывается температурная зависимость. Согласно энергетическому принципу муль-типлотной теории из энергий связи рассчитывается энергия активации. Последняя зависит от концентрации адсорбированных частиц ( см. работы Kefiepi. Мы показали, что с возрастанием температуры концентрация адсорбированных частиц с прочной связью увеличивается вначале экспоненциально, а затем достигает насыщения. [21]
Метод Полинга для определения энергий связи основан на использовании энергий одинарной гомополярной связи атомов, образующих гетероядерную молекулу АВ, с учетом поправки на ее ионный характер, связанный с различием в электроотрица-тельностях составляющих атомов. [22]
Известны два метода определения энергии связи в разбавленных сплавах. Первый заключается в исследовании уменьшения избыточного электросопротивления, вызванного закалкой. В результате существования энергии связи это уменьшение должно быть замедленно по сравнению с чистым алюминием. Кроме того, присутствие растворенных атомов может существенно изменить плотность центров конденсации по сравнению с чистым алюминием. [23]
Из рекомендуемых методов определения энергии связи кислорода на поверхности измерение скорости гомомолекулярного обмена позволяет охарактеризовать энергию наименее прочно связанного кислорода. Остальные методы ( гетерообмен, температурная зависимость давления кислорода, калориметрия хемосорбции и снятия кислорода) позволяют определять функцию распределения энергии кислорода. Для каталитических реакций наиболее важен наименее прочно связанный кислород, находящийся на поверхности при давлении кислорода реакционной смеси. При определении энергии связи кислорода по температурной зависимости равновесного давления мы использовали омеготрон для измерения давления кислорода. [24]
Оно полностью аналогично определению энергии связи , данному Пенни ( стр. Коулсон пишет: Действительно, сравнение порядков различных связей в молекуле, вычисленное согласно этим двум определениям, превращается теперь в сравнение двух предсказываемых этими методами энергий [ там же, стр. [25]
Иногда приходится пользоваться для определения новых энергий связей уже известными энергиями связи. Так, энергия ординарной О — О связи находится следующим образом. [26]
Из всех экспериментальных методов определения энергии связи наиболее широкое применение имеют термические методы. [27]
Не останавливаясь на методах определения энергий связи ( путем измерения энергетических эффектов различных процессов, анализа спектров и др.), укажем на следующее: зйая энергию данного процесса и энергию всех связей, кроме данной, можно вычислить последнюю. [28]
Не останавливаясь на методах определения энергий связи ( путем измерения энергетических эффектов различных процессов, анализа спектров и др.), укажем на следующее: зная энергию данного процесса и энергию всех связей, кроме данной, можно вычислить последнюю. [29]
Систематические экспериментальные работы по определению энергий связи с катализатором QAK для окисных катализаторов кинетическим методом проводятся в нашей лаборатории под руководством А. А. Толстопятовой и автора. [30]
Источник
КАК ИЗМЕРЯЮТ ЭНЕРГИЮ СВЯЗИ
Теперь естественно возникает вопрос, как же удаётся определить энергию связи ядра?
Для этого существует несколько способов. Однако, лишь один из этих способов является основным и ис — 38
Пользуется в большинстве случаев. Способ этот основан на законе эквивалентности массы и энергии, установленном знаменитым физиком Эйнштейном ещё в 1905 г.
До Эйнштейна считали, что существуют два различных закона сохранения: закон сохранения массы, или вещества, и закон сохранения энергии.
Первый из этих законов состоит в том, что масса данного вещества или нескольких веществ остаётся неизменной. Другими словами, масса тела не меняется ни при химических реакциях, ни при нагревании и охлаждении, ни при каких-либо других обычных воздействиях. При этом вместо массы можно говорить о весе, так как обе эти величины пропорциональны друг другу. (А при соответствующем выборе единиц измерения масса и все тела даже численно совпадают.)
Закон сохранения энергии состоит в утверждении, что энергия не появляется и не исчезает. Энергия может лишь переходить из одной формы в другую.
И вот Эйнштейн установил, что закон сохранения массы вещества и закон сохранения энергии на самом деле связаны друг с другом. Масса и энергия оказались эквивалентными. Это значит, что если сообщить телу энергию, то его масса или вес возрастут. И, наоборот, отняв энергию, мы уменьшаем массу и вес тела. Однако, даже довольно большое изменение энергии приводит лишь к ничтожному изменению массы. Дело в том, что масса равна энергии, делённой на огромную величину — на квадрат скорости света:
Масса (скорость светар’
Если мерить массу в граммах, длину в сантиметрах и время в секундах, то энергия измеряется в особых единицах, называемых эргами. Для примера укажем, что кинетическая энергия шарика с массой в 1 грамм, движущегося со скоростью в 2 сантиметра в секунду, равна двум эргам. Скорость же света в этой же системе единиц равна 30 000 000 000 см[сек.
Встречающимся в обычной жизни изменениям энергии соответствует лишь совершенно ничтожное измене
Ние массы. Например, если мы нагреем тонну воды на сто градусов, то масса воды увеличится лишь на 200Ж часть грамма.
Поэтому при обычных химических и физических процессах масса и энергия практически сохраняются в отдельности.
Если же изменения энергии достаточно велики, то происходящее в результате этого увеличение или уменьшение массы можно заметить. С таким случаем как раз мы и встречаемся в атомном ядре. При соединении протонов и нейтронов в какое-либо ядро выделяется энергия связи, поэтому масса или вес ядра должны быть меньше суммы масс всех входящих в его состав протонов и нейтронов. Изменение массы (веса), согласно закону эквивалентности массы и энергии, должно равняться энергии связи, делённой на квадрат скорости света. Поэтому, определяя с большой точностью вес (массу) атомного ядра, мы можем узнать его энергию связи.
В настоящее время физики умеют определять вес ядер с большой точностью. О том, как это делается, мы говорить здесь не можем за отсутствием места. Укажем лишь, что измерение весов ядер показало, что эти веса действительно отличаются от суммы весов протонов и нейтронов, входящих в состав ядра.
Основной метод определения энергии связи и основан на точном измерении веса ядра.
Существование энергии связи приводит к тому, что веса ядер не равняются в точности целым числам (если за единицу принять вес атома водорода). Поэтому, когда мы говорим, например, об (уране) ^, то число 238 является лишь тем целым числом, которое наиболее близко к истинному весу ядра урана.
Источник
