Ядерные силы. Энергия связи. Дефект массы

Многочисленные эксперименты показали, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Но… Протоны же отталкиваются друг от друга… Они же положительно заряжены…Почему ядро не распадается на отдельные нуклоны?..

Физики почесали головы и сказали: «ну, ок, значит, там есть ещё какие-то неучтённые силы притяжения. Назовём их… Хм… Ядерными силами».

В ходе экспериментов учёные выяснили, что ядерные силы очень велики – в примерно в 100 раз больше, чем силы электростатического отталкивания. А ещё они очень короткодействующие – их размеры ограничены размерами атомного ядра (поэтому об этих силах никто раньше не знал).

Чтобы разбить ядро на отдельные нуклоны, надо совершить работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру определённую энергию. А при соединении свободных нуклонов энергия напротив, выделяется.

Энергия связи ядра – это минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны.

Как определить энергию связи?

Самый простой способ – использовать взаимосвязь массы и энергии:

E=mc², где c – это скорость света.

Если измерить массу ядра атома до распада, а затем суммарную массу осколков, выяснится, что масса различается. Это различие называется дефектом массы.

И этот дефект массы зависит от энергии связи по формуле:

Δm=ΔE₀/c², где

ΔE₀ – это энергия связи ядра

Δm – дефект массы

То есть при распаде ядер нарушается закон сохранения массы – точнее, выполняется его более общий случай, закон сохранения энергии.

Например, если мы хотим узнать энергию связи в ядре дейтерия. Масса ядра дейтерия равна 2.0141 а.е.м., ядро дейтерия состоит из протона (массой 1.0073 а.е.м.) и нейтрона (массой 1.0087 а.е.м.). Значит, дефект массы равен 0.0019 а.е.м.

Так как мы хотим получить энергию связи в джоулях, надо учесть, что 1 а.е.м. = 1.6605*10^-27кг

Получается, что дефект массы равен 0.0032*10^-27 кг, и энергия связи равна Δm * c² = 0.0288*10^-11Дж

По дефекту массы можно рассчитывать энергию, выделяющуюся в любых ядерных реакциях.