Енергія зв’язку
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
УРОК 9/58
Тема. Енергія зв’язку
Мета уроку: увести поняття про міцність атомних ядер; з’ясувати фізичний зміст поняття “дефект мас”.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 3 хв. | 1. Що таке ядерної реакції? Наведіть два-три приклади ядерних реакцій. 2. Які умови перебігу ядерних реакцій? |
Вивчення нового матеріалу | 30 хв. | 1. Що характеризує міцність ядер? 2. Дефект мас. 3. 4. Реакції синтезу. 5. Реакції ділення |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Навчаємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Що характеризує міцність ядер?
Ядерні сили – найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день. Вони не тільки майже повністю пригнічують взаємну антипатію протонів, що на таких малих відстанях досить значна, але й зв’язують їх у винятково міцну родину.
Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користуються одним універсальним
Про міцність того або іншого утворення судять за тим, наскільки легко або складно зруйнувати його: чим складніше його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро – це означає розірвати зв’язки між його нуклонами або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв’язку між ними.
O Енергію зв’язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові – нуклони.
Значення енергії зв’язку ядра дуже складно обчислити теоретично, однак тут на допомогу приходить відкрите Ейнштейном співвідношення між масою й енергією:
O тіло масою m, що перебуває у спокої, має енергію Е = mс2, де с – швидкість світла.
Якщо енергія тіла змінюється на? Е, то маса цього тіла змінюється на 
2. Дефект мас
Виміри мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів:
Різниця 
називається дефектом мас. Дефект мас є мірою енергії зв’язку атомного ядра. Якщо? Есв – енергія зв’язку ядра, що виділяється під час його утворення, то відповідна їй маса 
характеризує зменшення сумарної маси всіх нуклонів під час утворення ядра. Отже: 
Про те, наскільки велика енергія зв’язку, можна судити за таким прикладом: утворення 4 г гелію супроводжується виділенням такої ж енергії, що й під час згоряння 1,5-2 вагонів кам’яного вугілля.
3. Питома енергія зв’язку
Чим більше протонів у ядрі, тобто чим більше заряд Ze ядра, тим сильніше кулонівське відштовхування між протонами. Тому, щоб вони не розліталися під дією кулонівських сил, для стабілізації ядра потрібне більше число нейтронів.
Для характеристики міцності ядер зазвичай беруть енергію зв’язку, що припадає на один нуклон.
O Енергія зв’язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв’язку.
За малих Z число нейтронів N = Z, а за більших Z (у ядрах важких елементів) навіть значне число нейтронів у ядрі (N? 1,6Z) уже не може перешкоджати його розпаду. Останнім стабільним ядром, що має максимальне число протонів, є свинець (Z = 82).
4. Реакції синтезу
Питома енергія зв’язку була виміряна експериментально практично для всіх ядер. Із графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа ядра випливає, що ядро Гелію 42Не є особливо стабільним: воно характеризується значно більшою питомою енергією зв’язку, ніж легші ядра ізотопів Гідрогену Дейтерію 21Н й Тритію 31Н (вони містять, відповідно, 2 і 3 нейтрони). Звідси випливає, що утворення ядер Гелію з ядер цих ізотопів Гідрогену, наприклад, під час виконання реакції 
є енергетично дуже вигідним, тобто при цьому виділяється більша енергія.
O Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.
Описана реакція синтезу стає можливою, коли ядра дейтерію й тритію зближаються на дуже малу відстань – таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили. Але оскільки ядра заряджені однойменно, між ними діє сила електричного відштовхування. Щоб подолати дію цієї сили, ядра, що зіштовхуються, повинні мати значну кінетичну енергію, а це означає, що для здійснення реакції синтезу необхідна дуже висока температура – десятки мільйонів градусів. Тому ядерні реакції синтезу називають часто термоядерними.
5. Реакції ділення
Із графіка залежності питомої енергії зв’язку видно, що найбільш стабільними є ядра з масовими числами від 50 до 60, оскільки для цих ядер енергія зв’язку максимальна. Це ядра заліза й близьких до нього (за масовим числом) ядер.
O Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією ділення.
Отже, розщеплення (розподіл) важких ядер, коли продуктами реакції є ядра елементів із середини таблиці Менделєєва, є енергетично вигідним: при цьому виділяється енергія.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Як охарактеризувати міцність ядер?
2. Як залежить міцність ядер атомів від їхньої енергії зв’язку?
3. Чому ядро Купруму стійке, а ядро Урану нестійке?
4. Наведіть приклад реакції синтезу. Наведіть приклад реакції ділення.
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Чому енергія зв’язку атома Гідрогену 11Н дорівнює нулю?
Розв’язання
Ядро атома Гідрогену складається з одного протона.
2. Чому питома енергія зв’язку у важких ядрах убуває зі збільшенням масового числа?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Визначте дефект мас і енергію зв’язку ядра атома 23592U.
Розв’язання
Дефект мас ядра визначаємо за формулою:
У таблицях мас ізотопів наводять значення мас нейтральних атомів, а не маси ядер. Тому цю формулу доцільно перетворити так, щоб замість маси даного ядра Мn в неї входила маса відповідного нейтрального атома Ма.
Оскільки Mя =Ma – Zme, то? M = Zmp + Nmn – (Ma – Zme), або? M = Z(mp + me) + Nmn – Ma. Але mр + mе = m11Н. Отже, остаточно одержуємо? M = (Zm11Н + Nmn) – Мa. З таблиць беремо такі дані: m11Н = 1,00783 а. е. м., mn = 1,00866 а. е. м., Мa = 235,04394 а. е. м. Підставляючи в останню формулу числові значення мас в а. е. м., одержуємо:
?M = 92-1,00783 + 143-1,00866 – 235,04394 = 1,9148 (а. е. м.).
Якщо ми хочемо одержати енергію зв’язку в джоулях, то дефект мас потрібно виразити в кілограмах.
З огляду нате, що 1 а. о. м. = 1,66057-10-27 кг, одержуємо:
Підставляючи це значення дефекту мас у формулу? Е0 = ?mс2, одержуємо:
Виділяється чи поглинається енергія за такої ядерної реакції
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Енергію зв’язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові – нуклони.
– Тіло масою т, що перебуває у стані спокою, має енергію Е = mс2, де с – швидкість світла.
– Різниця? M = Zmp + Nmn – Мa називається дефектом мас.
– Енергія зв’язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв’язку.
– Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.
– Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією розподілу.
Домашнє завдання
1. Підр.: § 31 (п. 2).
2. 3б.: № 17.54; 17.55; 17.56; 17.59.
