Энергия связи атомных ядер

Если сравнить сумму масс покоя нуклонов, образующих ядро, с массой ядра, то окажется, что по всей периодической системе выполняется неравенство:

(15.8)

Соответственно отличаются друг от друга полная энергия частиц, образующих ядро, и полная энергия самого ядра.

Разность

(15.9)

называют энергией связи. Энергия, связи определяет наименьшую энергию, которую необходимо затратить для разделения ядра на отдельные нуклоны. Энергия связи растет с массовым числом и составляет, например, для гелия приблизительно 28,3 МэВ, а для урана 1800 МэВ.

Рис 15.4

Однако для практических целей гораздо важнее знать энергию связи, отнесенную к одному нуклону:

Эта величина меняется сравнительно мало (рис. 15.4), имея почти постоянное значение ω ≈ 8,6 МэВ/нуклон в средней части периодической системы (40<A< 120) и уменьшаясь к ее краям. Громадные значения энергии связи говорят об исключительной устойчивости ядер — их практически невозможно разделить на нуклоны. Но если бы удалось разбить массивное ядро на два других ядра (средней массы), то энергия связи системы увеличилась бы. Значит, процесс «деления ядра» должен сопровождаться выделением энергии в относительно большом количестве. Так, например, при захвате нейтрона ядром ²³⁵U(ΔW=1780 МэВ) происходит деление по схеме:

Выделяющиеся нейтроны могут вызвать дальнейшие деления, и начавшаяся реакция будет развиваться дальше. Осколки ядра неустойчивы; так, превращается в , а в ; эти превращения сопровождаются β-излучением. Уравнение, описывающее деление, показывает, что законы сохранения заряда и массового числа выполнены. Разность полных энергий в начальном и конечном состоянии есть

ΔW≈8,6(94+140) МэВ — 1780 МэВ ≈ 220 МэВ.

Эта энергия в том или ином виде (энергия излучения или кинетическая энергия продуктов деления) освобождается при каждом акте деления. При Делении 1 моль урана выделится энергия, равная:

W=220 МэВ x 6 x 10²³ моль^-1 = 1,32- 10²⁶ МэВ/моль,

в то время как при химических превращениях выделение энергии не превышает

W = 10²⁰ МэВ/моль.

Таким образом, процесс деления ядер может служить базой для получения внутриядерной энергии, если удастся обеспечить достаточное число делений в единицу времени, достаточную продолжительность процесса и регулировку его интенсивности (см. § 16.8).