Какие силы позволяют нуклонам удерживаться в ядре? Сравните энергию связи ядер у изотопов водорода − дейтерия и трития. Можно ли говорить об энергии связи ядра у обычного водорода?
Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Для того чтобы разбить ядро на отдельные, не взаимодействующие между собой (свободные) нуклоны, необходимо произвести работу по преодолению ядерных сил, т. е. сообщить ядру определённую энергию (энергию связи ядра).
Рассчитаем энергию связи $ΔЕ_{0д}$ ядра атома дейтерия $^{2}_{1}H$, состоящего из одного протона и одного нейтрона.
Определим дефект массы Δm этого ядра (масса протона ≈ 1,0073 а.е.м., масса нейтрона ≈ 1,0087 а. е. м., масса ядра дейтерия ≈ 2,0141 а. е. м.).
Δm = (1,0073 а.е.м. + 1,0087 а.е.м.) − 2,0141 а.е.м. = 0,0019 а.е.м.
Чтобы энергию связи получить в джоулях, дефект массы нужно выразить в килограммах (1 а.е.м. = $1,6605 * 10^{-27}$ кг).
Δm = $1,6605 * 10^{-27} * 0,0019 = 0,0032 * 10^{-27}$ кг;
$ΔЕ_{0} = Δmс^{2}$;
$ΔЕ_{0д} = 0,0032 * 10^{-27} * (3 * 10^{8})^{2} = 0,0288 * 10^{-13}$ Дж;
Рассчитаем энергию связи $ΔЕ_{0тр}$ ядра атома трития $^{3}_{1}H$, состоящего из одного протона и двух нейтронов.
Масса протона ≈ 1,0073 а.е.м., масса нейтрона ≈ 1,0087 а. е. м., масса ядра трития ≈ 3,01605 а. е. м.).
Δm = (1,0073 а.е.м. + 2 * 1,0087 а.е.м.) − 3,01605 а.е.м. = 0,00865 а.е.м.
Δm = $1,6605 * 10^{-27} * 0,00865 = 0,01436 * 10^{-27}$ кг;
$ΔЕ_{0тр} = 0,01436 * 10^{-27} * (3 * 10^{8})^{2} = 0,1292 * 10^{-11}$ Дж.
$ΔЕ_{0} = ΔЕ_{0тр} - ΔЕ_{0д} = 0,1292 * 10^{-11} - 0,0288 * 10^{-11} ≈ 0,1 * 10^{-11}$ Дж.
Таким образом, энергия связи изотопа водорода трития больше, чем у дейтерия на $0,1 * 10^{-11}$ Дж.
Ядро водорода имеет нулевую энергию ядерной связи. Энергия связи ядра − это энергия, необходимая для отделения всех нуклонов в ядре друг от друга. В ядре водорода существует только один нуклон, он уже отделен от любых других нуклонов. Голый нейтрон имеет нулевую энергию связи ядер.
Для ответа на предложенные вопросы необходимо рассмотреть физические основы, связанные с силами, удерживающими нуклоны в ядре, а также понятие энергии связи атомных ядер.
Сильное ядерное взаимодействие обладает рядом уникальных свойств:
− Оно действует только на очень малых расстояниях, порядка $10^{-15}$ м (размер ядра атома).
− Оно в десятки тысяч раз сильнее электромагнитного взаимодействия на этих маленьких расстояниях.
− Оно одинаково действует между любыми нуклонами: протон−протон, нейтрон−нейтрон или протон−нейтрон.
Сильное ядерное взаимодействие преодолевает силы электрического отталкивания между протонами и удерживает ядро в стабильном состоянии. Кроме того, нейтроны, не обладающие электрическим зарядом, играют важную роль в обеспечении стабильности ядра, увеличивая число взаимодействий и "разбавляя" кулоновское отталкивание.
Сравнивая массу ядра с суммой масс его составляющих нуклонов, обнаруживается, что масса ядра всегда меньше. Эта разность масс называется дефектом массы ($\Delta m$) и связана с энергией связи согласно знаменитому уравнению Эйнштейна $E = \Delta m \cdot c^2$, где $c$ — скорость света.
Энергия связи у ядер изотопов водорода зависит от числа нуклонов и силы их взаимодействия.
− У обычного водорода (протона) энергия связи ядра отсутствует, поскольку ядро состоит из одного единственного протона, и расщеплять его на более мелкие частицы в данном контексте не имеет смысла.
− У дейтерия энергия связи возникает в результате взаимодействия протона и нейтрона. Она составляет примерно 2.225 МэВ (мегаэлектронвольт) — это энергия, необходимая для отделения нейтрона от протона.
− У трития энергия связи выше, чем у дейтерия, поскольку тритий содержит два нейтрона, которые увеличивают число взаимодействий между нуклонами и, соответственно, энергию связи. Энергия связи ядра трития составляет около 8.5 МэВ.
Таким образом, можно утверждать, что энергия связи увеличивается с ростом числа нейтронов в ядре, до определенного предела, поскольку это способствует большему числу сильных ядерных взаимодействий.
Энергия связи у обычного водорода
Обычный водород имеет ядро, состоящее только из одного протона, и, следовательно, энергии связи ядра у него нет. Это объясняется отсутствием взаимодействия между нуклонами — для возникновения энергии связи необходимо наличие хотя бы двух связанных частиц.
Сравнение энергии связи дейтерия и трития
Как уже упоминалось, энергия связи у трития значительно превышает энергию связи у дейтерия. Это обусловлено дополнительным нейтроном, который усиливает взаимодействия внутри ядра и делает его более устойчивым.
В заключение, можно сделать следующие выводы:
− Сильное ядерное взаимодействие — ключевой механизм удержания нуклонов в ядре.
− Энергия связи у дейтерия и трития различается: тритий более стабилен благодаря наличию двух нейтронов.
− У обычного водорода энергии связи ядра нет, так как его ядро состоит только из одного протона.
Пожауйста, оцените решение
