Перейти до основного вмісту
Каталог

Дефект мас і енергія зв’язку ядра

~25 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань

Квантова фізика. Елементи теорії відносності
Фізика НМТ

Обчислювати дефект мас, енергію зв'язку і питому енергію зв'язку атомного ядра за масами частинок з умови та пояснювати, чому енергію вивільняють і поділ важких, і синтез легких ядер.

Дефект мас

Коли з окремих протонів і нейтронів утворюється атомне ядро, відбувається дивовижне явище: маса ядра виявляється меншою, ніж сума мас тих самих нуклонів, узятих у вільному стані. Ця різниця — не помилка вимірювання, а фундаментальний наслідок взаємозв'язку маси та енергії, який описав Ейнштейн.

Чому маса зникає?

Під час злиття нуклонів у ядро виділяється величезна енергія — енергія зв'язку. За формулою ця енергія «забирає» з собою частину маси. Тому маса ядра завжди менша за суму мас його складових. Різницю називають дефектом мас і позначають .

Формула дефекту мас:

де — кількість протонів, — кількість нейтронів, — маса протона, — маса нейтрона, — маса ядра.

Які маси використовувати?

В умовах задач НМТ зазвичай наводять такі значення (в атомних одиницях маси, а. о. м.):

  • маса протона а. о. м.

  • маса нейтрона а. о. м.

  • маса електрона а. о. м.

Ці числа завжди наведено в умові — запам'ятовувати їх не потрібно.

Уважно перевір, що саме дано в умові: маса ядра чи маса нейтрального атома ? Різниця між ними — це маса електронів: . Якщо в умові наведено масу атома, спочатку відніми , щоб отримати масу ядра.

Приклад: ядро літію-7

Ядро містить протони і нейтрони. Маса ядра літію-7 дорівнює а. о. м. Обчислимо дефект мас:

Отже, під час утворення ядра літію-7 «зникає» а. о. м. маси — саме стільки перейшло в енергію зв'язку.

Енергія зв'язку й питома енергія зв'язку

Енергія зв'язку ядра — це мінімальна енергія, яку потрібно затратити, щоб повністю розщепити ядро на окремі вільні нуклони. Вона дорівнює тій енергії, що виділяється під час утворення ядра з нуклонів. За формулою Ейнштейна:

де м/с — швидкість світла у вакуумі.

Зручний перехід: а. о. м. → МеВ

Обчислювати енергію зв'язку в джоулях через незручно, бо дуже мала. Тому в ядерній фізиці використовують співвідношення:

Це означає, що маса а. о. м., повністю перетворена на енергію, дає приблизно МеВ. Тому енергію зв'язку в МеВ знаходять простим множенням:

Якщо в умові дано співвідношення 1 а. о. м. ≈ 931,5 МеВ, тобі не потрібно переводити а. о. м. у кілограми і підносити до квадрата. Достатньо помножити дефект мас на — і відповідь у МеВ готова.

Приклад: ядро гелію-4

Ядро (альфа-частинка) має , . За масами з умови:

  • а. о. м.

  • а. о. м.

  • а. о. м.

Обчислюємо дефект мас:

Тепер енергія зв'язку:

Питома енергія зв'язку

Питома енергія зв'язку — це енергія зв'язку, що припадає на один нуклон:

де — масове число (загальна кількість нуклонів).

Для гелію-4: МеВ/нуклон.

Чим більша питома енергія зв'язку, тим стійкіше ядро. Якщо порівняти два ядра, стійкішим буде те, у якого більша. Наприклад, питома енергія зв'язку ядра заліза-56 становить близько МеВ/нуклон — тому ядра заліза найстійкіші.

Ядро

A

Eзв (МеВ)

Eзв/A (МеВ/нуклон)

²H (дейтерій)

2

2,2

1,1

⁴He (гелій)

4

28,3

7,1

¹²C (вуглець)

12

92,2

7,7

⁵⁶Fe (залізо)

56

492

8,8

²³⁸U (уран)

238

1800

7,6

Крива питомої енергії зв'язку і джерела енергії

Якщо побудувати графік залежності питомої енергії зв'язку від масового числа , отримаємо криву, яка пояснює, звідки береться енергія в ядерних реакціях.

Рендеринг діаграми…

Графік показує, що питома енергія зв'язку:

  • швидко зростає для найлегших ядер (від МеВ/нуклон у дейтерію до у гелію-4);

  • досягає максимуму близько МеВ/нуклон для ядер середньої маси в районі заліза ();

  • повільно спадає для важких ядер (до МеВ/нуклон у урану-238).

Чому вивільняється енергія?

Форма кривої має вирішальне значення для розуміння джерел ядерної енергії. Система завжди прямує до стану з більшою стійкістю, тобто до більшої питомої енергії зв'язку. Якщо в результаті реакції нуклони опиняються в ядрі з більшим , енергія вивільняється.

Поділ важких ядер

Важке ядро (наприклад, ) має МеВ/нуклон. Коли воно ділиться на два ядра середньої маси, кожне з яких має МеВ/нуклон, нуклони переходять у стійкіший стан. Різниця питомих енергій зв'язку (близько МеВ на нуклон) помножена на кількість нуклонів дає величезний енергетичний вихід — саме так працюють ядерні реактори.

Синтез легких ядер

Два легких ядра (наприклад, дейтерій і тритій ) мають малу питому енергію зв'язку. Під час їхнього злиття утворюється важче ядро (гелій-4) з набагато більшою . Різниця питомих енергій тут значно більша, ніж у випадку поділу, тому синтез легких ядер дає більше енергії на нуклон, ніж поділ важких. Термоядерний синтез легких ядер живить зорі; на Сонці це протон-протонний цикл, у якому чотири протони перетворюються на ядро гелію-4.

Ключова ідея: і поділ важких ядер, і синтез легких ядер переводять нуклони в стан із більшою питомою енергією зв'язку. Різниця енергій вивільняється назовні. До заліза (ліва гілка кривої) вигідний синтез, після заліза (права гілка) — поділ. Ядра заліза — найстійкіші, тому реакції, що ведуть до заліза, екзотермічні.

Докладніше про механізми поділу та синтезу — у відповідному юніті «Поділ і синтез ядер».

Розбираємо завдання

Приклад 1. Обчислення енергії зв'язку за дефектом мас

Дефект мас ядра дорівнює а. о. м. Визнач енергію зв'язку цього ядра в МеВ. Відповідь округли до цілого числа.

Розв'язання:

Енергію зв'язку знаходимо за формулою (МеВ), оскільки а. о. м. відповідає МеВ.

Округлюємо до цілого: МеВ.

Відповідь: 19 МеВ.

Типова помилка: забути помножити на і написати МеВ — це значення дефекту мас, а не енергії. Інша помилка: округлити до , а не до .


Приклад 2. Порівняння стійкості ядер

Питома енергія зв'язку ядра X дорівнює МеВ/нуклон, а ядра Y — МеВ/нуклон. Яке ядро стійкіше?

  • А) ядро X

  • Б) ядро Y

  • В) обидва однаково стійкі

  • Г) стійкість залежить лише від масового числа A

Розв'язання: Стійкість ядра визначається питомою енергією зв'язку : чим вона більша, тим ядро стійкіше. Оскільки , ядро Y стійкіше.

Відповідь: Б) ядро Y.

Чому інші варіанти неправильні:

  • А) ядро X — менша питома енергія зв'язку означає меншу стійкість.

  • В) обидва однаково стійкі — значення різні, тому стійкість різна.

  • Г) стійкість залежить лише від A — насправді стійкість визначає питома енергія зв'язку, а не саме A.


Приклад 3. Обчислення питомої енергії зв'язку

Енергія зв'язку ядра з масовим числом дорівнює МеВ. Визнач питому енергію зв'язку цього ядра в МеВ/нуклон.

Розв'язання: Питома енергія зв'язку — це енергія зв'язку, поділена на кількість нуклонів:

Відповідь: 8 МеВ/нуклон.

Типова помилка: поділити на (кількість протонів), а не на . Оскільки в умові не дано, це неможливо зробити — і це підказка, що ділити треба на .


Приклад 4. Чому вивільняється енергія під час синтезу?

Чому під час синтезу двох легких ядер в одне важче вивільняється енергія?

  • А) тому що продукт синтезу має більшу масу, ніж сума мас вихідних ядер

  • Б) тому що ядерні сили між нуклонами зникають

  • В) тому що питома енергія зв'язку продукту більша, тож дефект мас зростає

  • Г) тому що кулонівське відштовхування між протонами зростає

Розв'язання: Під час синтезу легких ядер утворюється ядро з більшою питомою енергією зв'язку (див. криву — ліва гілка зростає). Більша питома енергія зв'язку означає, що нуклони стали стійкішими, а різниця енергій вивільнилася. Зі збільшенням енергії зв'язку зростає і дефект мас.

Відповідь: В) тому що питома енергія зв'язку продукту більша, тож дефект мас зростає.

Чому інші варіанти неправильні:

  • А) продукт має меншу масу, ніж сума вихідних ядер (дефект мас), а не більшу.

  • Б) ядерні сили не зникають — саме вони утримують нуклони в новому ядрі.

  • Г) кулонівське відштовхування справді зростає (більше протонів в одному ядрі), але це не причина вивільнення енергії, а навпаки — фактор, що ускладнює синтез.

Типові помилки й пастки

Нижче наведено найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час обчислення дефекту мас та енергії зв'язку. Уважно прочитай кожну — і на НМТ ти їх уникнеш.

  • Змішувати маси атома і ядра, не враховуючи маси електронів. Якщо в умові дано масу нейтрального атома , а ти підставляєш її у формулу дефекту мас як , то помилка становить . Завжди перевіряй: маса атома = маса ядра + маса електронів.

  • Забувати помножити і на і відповідно. Формула вимагає множення. Не можна просто додати і відняти .

  • Вважати дефект мас негативним або енергію зв'язку від'ємною. Дефект мас — це додатна величина (), тому і .

  • Розраховувати енергію зв'язку в джоулях, забувши , або змішувати а. о. м. і кг. Якщо дефект мас подано в а. о. м., то у джоулях потребує переведення в кілограми ( а. о. м. кг) і множення на . Якщо в умові дано співвідношення 1 а. о. м. ≈ 931,5 МеВ, простіше: помнож (в а. о. м.) на — отримаєш МеВ.

  • Ділити енергію зв'язку не на , а на . Питома енергія зв'язку — це енергія на один нуклон (), а не на один протон ().

Як це перевіряють на НМТ

Тема «Дефект мас і енергія зв'язку ядра» входить до розділу 5.3 програми НМТ з фізики. Від тебе вимагають уміти обчислювати дефект мас, енергію зв'язку й енергетичний вихід ядерних реакцій.

Що дозволено на тестуванні

  • Формули енергії зв'язку () і дефекту мас () є в довідкових матеріалах НМТ — їх не треба запам'ятовувати.

  • Маси нуклонів, ядер, значення атомної одиниці маси та швидкості світла наводять в умові задачі. Таблиці мас у довідкових матеріалах немає.

  • Співвідношення а. о. м. МеВ у довідкових матеріалах немає. Якщо його дано в умові, множ Δm на 931,5; якщо дано c і масу 1 а. о. м. у кілограмах, обчислюй E = Δm·c² у джоулях.

Формат завдань

Розрахункові завдання з цієї теми можуть бути як у форматі вибору однієї відповіді з чотирьох (№ 1–14, 0 або 1 бал), так і у форматі короткої відповіді (№ 17–22, 0 або 2 бали). У завданнях з короткою відповіддю потрібно вписати ціле число або десятковий дріб з одиницею, указаною в умові.

Стратегія розв'язування

  • У кожній задачі насамперед перевір, що дано: маса ядра чи маса нейтрального атома. Якщо дано масу атома, відніми .

  • Визнач, в яких одиницях вимагають відповідь: МеВ чи Дж. Якщо в МеВ — просто помнож (в а. о. м.) на .

  • Для питомої енергії зв'язку поділи отриману на масове число .

  • Якщо запитують, чи вивільняється енергія в реакції, порівняй питомі енергії зв'язку ядер до і після реакції.

Питання й відповіді

Чому маса ядра менша за суму мас нуклонів?

Під час утворення ядра з окремих нуклонів виділяється величезна енергія — енергія зв'язку. За формулою Ейнштейна , енергія має масовий еквівалент. Тому частина маси «переходить» в енергію, яка випромінюється назовні. У результаті маса ядра виявляється меншою, ніж сума мас нуклонів, з яких воно складається. Цю різницю називають дефектом мас.

Що означає слово «зв'язок» в енергії зв'язку?

Слово «зв'язок» вказує на те, що нуклони в ядрі утримуються разом могутніми ядерними силами. Енергія зв'язку — це та енергія, яку потрібно затратити, щоб «розірвати» цей зв'язок, тобто розщепити ядро на окремі вільні нуклони. Чим більша енергія зв'язку, тим міцніше нуклони «зв'язані» в ядрі.

Чому найстійкіші ядра — біля заліза?

Питома енергія зв'язку (енергія на один нуклон) досягає максимуму близько МеВ/нуклон для ядер з масовим числом , тобто для ядер заліза та нікелю. Це означає, що нуклони в таких ядрах утримуються найміцніше. Для легших ядер питома енергія зв'язку менша (вони можуть її збільшити через синтез), а для важчих — теж менша (вони можуть її збільшити через поділ). Тому ядра заліза — найстійкіші, і реакції, що ведуть до заліза, є екзотермічними.

Як швидко перейти від а. о. м. до МеВ?

Дуже просто: помнож значення маси в атомних одиницях маси на . Наприклад, а. о. м. МеВ. Це працює, тому що а. о. м. відповідає енергії МеВ згідно з формулою . У довідкових матеріалах НМТ цього співвідношення немає. Якщо його дано в умові, множ Δm на 931,5; якщо дано c і 1 а. о. м. = 1,66·10⁻²⁷ кг, обчислюй E = Δm·c² у джоулях.

Коротко: головне

  • Дефект мас: — маса ядра завжди менша за суму мас нуклонів.

  • Енергія зв'язку: ; зручний перехід — а. о. м. МеВ, тому .

  • Питома енергія зв'язку: — енергія на один нуклон; чим вона більша, тим стійкіше ядро.

  • Максимум питомої енергії зв'язку (близько МеВ/нуклон) — у ядер середньої маси в районі заліза ().

  • Енергію вивільняють і поділ важких ядер, і синтез легких ядер, тому що в обох випадках нуклони переходять у стан із більшою питомою енергією зв'язку.

  • До заліза вигідний синтез, після заліза — поділ; синтез дає більше енергії на нуклон.