ความบกพร่องมวลของนิวเคลียสคืออะไร? พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์

การวิจัยแสดงให้เห็นว่านิวเคลียสของอะตอมมีการก่อตัวที่เสถียร ซึ่งหมายความว่าในนิวเคลียสจะมีพันธะบางอย่างระหว่างนิวคลีออน การศึกษาความเชื่อมโยงนี้สามารถดำเนินการได้โดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติและคุณสมบัติ กองกำลังนิวเคลียร์แต่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน

เรามาแนะนำคำจำกัดความกัน.

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนในนิวเคลียสเรียกว่า ปริมาณทางกายภาพเท่ากับงานที่ต้องทำเพื่อกำจัดนิวคลีออนที่กำหนดออกจากนิวเคลียสโดยไม่ต้องให้พลังงานจลน์แก่มัน

เต็ม พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ถูกกำหนดโดยงานที่ต้องทำเพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบโดยไม่ต้องให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานเมื่อนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นจากนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบของมัน พลังงานจะต้องถูกปล่อยออกมาเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส แน่นอนว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานทั้งหมดของนิวคลีออนอิสระที่ประกอบเป็นนิวเคลียสที่กำหนดกับพลังงานของพวกมันในนิวเคลียส

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นที่รู้กันว่าพลังงานและมวลมีความเชื่อมโยงกัน:

E = mс 2 (250)

ถ้าผ่าน ΔE เซนต์แสดงถึงพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสดังนั้นการปล่อยพลังงานนี้ตามสูตร (250) ควรสัมพันธ์กับการลดลงของมวลรวมของนิวเคลียสระหว่างการก่อตัวของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ:

Δm = ΔE เซนต์ / จาก 2 (251)

ถ้าเราแสดงโดย ม พี , ม n , ม ฉันตามลำดับ คือมวลของโปรตอน นิวตรอน และนิวเคลียส ∆มสามารถกำหนดได้โดยสูตร:

ดม= [Zm р + (A-Z)ม]-ฉัน . (252)

สามารถกำหนดมวลของนิวเคลียสได้อย่างแม่นยำมากโดยใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์ - เครื่องมือวัด, การแยกโดยใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก, ลำแสงของอนุภาคที่มีประจุ (โดยปกติคือไอออน) ที่มีประจุเฉพาะต่างกัน คิว/ม. การวัดแมสสเปกโตรเมทริกแสดงให้เห็นว่าแท้จริงแล้ว มวลของนิวเคลียสน้อยกว่าผลรวมของมวลของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ

ความแตกต่างระหว่างผลรวมของมวลของนิวเคลียสที่ประกอบเป็นนิวเคลียสและมวลของนิวเคลียสเรียกว่า ข้อบกพร่องมวลแกนกลาง(สูตร (252))

ตามสูตร (251) พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนในนิวเคลียสถูกกำหนดโดยนิพจน์:

∆E SV = [ซีเอ็มพี+ (ก-ฮ)ม n - ม ฉัน ]กับ 2 . (253)

ตารางมักจะไม่แสดงมวลของนิวเคลียส ฉันและมวลของอะตอม ม. ดังนั้นสำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวเราใช้สูตร:

∆E SV =[ซีเอ็ม เอช+ (ก-ฮ)ม n - ม ]กับ 2 (254)

ที่ไหน mH- มวลของอะตอมไฮโดรเจน 1 H 1 เพราะ mHมากกว่า นายโดยมวลอิเล็กตรอน ฉัน ,แล้วเทอมแรกเข้า วงเล็บเหลี่ยมรวมถึงมวลของอิเล็กตรอน Z แต่เนื่องจากมวลของอะตอม มแตกต่างจากมวลของนิวเคลียส ฉันเพียงแค่มวล Z ของอิเล็กตรอน แล้วคำนวณโดยใช้สูตร (253) และ (254) ก็ได้ผลลัพธ์เดียวกัน

บ่อยครั้งแทนที่จะพิจารณาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะเด เนอีคือพลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออนของนิวเคลียส เป็นลักษณะความมั่นคง (ความแข็งแกร่ง) นิวเคลียสของอะตอมกล่าวคือยิ่งมากขึ้น เด เนอี,แกนกลางยิ่งมีเสถียรภาพมากขึ้น . พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะขึ้นอยู่กับเลขมวล กองค์ประกอบ. สำหรับนิวเคลียสเบา (A £ 12) พลังงานการจับยึดจำเพาะจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็น 6 µ 7 MeV โดยผ่านการกระโดดหลายครั้ง (ดูรูปที่ 93) ตัวอย่างเช่นสำหรับ เด เนอี= 1.1 MeV สำหรับ -7.1 MeV สำหรับ -5.3 MeV เมื่อเลขมวล dE เพิ่มขึ้นอีก SV จะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ จนถึงค่าสูงสุด 8.7 MeV สำหรับองค์ประกอบที่มี ก=50ธ60 แล้วค่อยๆ ลดลงสำหรับธาตุหนัก ตัวอย่างเช่น มันคือ 7.6 MeV ขอให้เราสังเกตเพื่อเปรียบเทียบว่าพลังงานพันธะของเวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าประมาณ 10 eV (น้อยกว่า 10 6 เท่า)

บนกราฟของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะกับเลขมวลของนิวเคลียสที่เสถียร (รูปที่ 93) สามารถสังเกตรูปแบบต่อไปนี้ได้:

ก) ถ้าเราทิ้งนิวเคลียสที่เบาที่สุดทิ้งไปในลักษณะหยาบ ดังนั้น หากพูดถึงการประมาณเป็นศูนย์ พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะจะคงที่และเท่ากับประมาณ 8 MeV ต่อ

นิวเคลียส ความเป็นอิสระโดยประมาณของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะจากจำนวนนิวคลีออนบ่งบอกถึงคุณสมบัติความอิ่มตัวของแรงนิวเคลียร์ คุณสมบัตินี้คือแต่ละนิวคลีออนสามารถโต้ตอบกับนิวคลีออนที่อยู่ใกล้เคียงหลายตัวเท่านั้น

b) พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะไม่คงที่อย่างเคร่งครัด แต่มีค่าสูงสุด (~8.7 MeV/นิวคลีออน) ที่ ก= 56 เช่น ในบริเวณนิวเคลียสของเหล็ก และลดลงไปทางขอบทั้งสองข้าง เส้นกราฟสูงสุดสอดคล้องกับนิวเคลียสที่เสถียรที่สุด เป็นการดีที่นิวเคลียสที่เบาที่สุดจะรวมเข้าด้วยกันโดยปล่อยพลังงานแสนสาหัสออกมา ในทางกลับกัน สำหรับนิวเคลียสที่หนักที่สุด กระบวนการฟิชชันเป็นชิ้นส่วนนั้นมีประโยชน์ ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงานที่เรียกว่าอะตอม

เสถียรที่สุดคือสิ่งที่เรียกว่านิวเคลียสเวทมนตร์ซึ่งจำนวนโปรตอนหรือจำนวนนิวตรอนเท่ากับหนึ่งในตัวเลขเวทย์มนตร์: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 นิวเคลียสวิเศษคู่นั้นโดยเฉพาะ เสถียรซึ่งมีทั้งจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอน คอร์เหล่านี้มีเพียงห้าคอร์เท่านั้น: , , , , .

บรรยายครั้งที่ 18.องค์ประกอบของฟิสิกส์ของนิวเคลียสของอะตอม

โครงร่างการบรรยาย

นิวเคลียสของอะตอม ข้อบกพร่องมวล พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์

รังสีกัมมันตภาพรังสีและประเภทของมัน กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

กฎหมายการอนุรักษ์การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและปฏิกิริยานิวเคลียร์

1.นิวเคลียสของอะตอม ข้อบกพร่องมวล พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์

องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม

ฟิสิกส์นิวเคลียร์- ศาสตร์แห่งโครงสร้าง สมบัติ และการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของอะตอม ในปี 1911 E. Rutherford ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงของอนุภาค α ขณะที่อนุภาคเคลื่อนผ่านสสาร โดยอะตอมที่เป็นกลางประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกอัดแน่นและเมฆอิเล็กตรอนเชิงลบ W. Heisenberg และ D.D. Ivanenko (อย่างอิสระ) ตั้งสมมติฐานว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน

นิวเคลียสของอะตอม- ส่วนขนาดใหญ่ที่อยู่ตรงกลางของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเรียกรวมกันว่า นิวเคลียส. มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส (มากกว่า 99.95%) ขนาดของนิวเคลียสอยู่ที่ 10 -13 - 10 -12 ซม. และขึ้นอยู่กับจำนวนนิวเคลียสในนิวเคลียส ความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์สำหรับนิวเคลียสทั้งเบาและหนักเกือบจะเท่ากันและอยู่ที่ประมาณ 10,17 กก./ลบ.ม. กล่าวคือ สสารนิวเคลียร์ขนาด 1 ซม. 3 จะมีน้ำหนัก 100 ล้านตัน นิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุทั้งหมดของอิเล็กตรอนในอะตอม

โปรตอน (สัญลักษณ์ p) เป็นอนุภาคมูลฐาน ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน โปรตอนมีประจุบวกซึ่งมีขนาดเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน มวลโปรตอน m p = 1.6726 10 -27 กก. = 1836 m e โดยที่ m e คือมวลของอิเล็กตรอน

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็นเรื่องปกติที่จะแสดงมวลในหน่วยมวลอะตอม:

1 อามู = 1.65976 10 -27 กก.

ดังนั้นมวลโปรตอนซึ่งแสดงเป็นอามูจะเท่ากับ

m p = 1.0075957 น.

เรียกว่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส หมายเลขค่าธรรมเนียม Z. มันเท่ากับเลขอะตอมขององค์ประกอบที่กำหนด ดังนั้นจึงกำหนดตำแหน่งขององค์ประกอบในตารางธาตุของ Mendeleev

นิวตรอน (สัญลักษณ์ n) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งมีมวลมากกว่ามวลโปรตอนเล็กน้อย

มวลนิวตรอน m n = 1.675 10 -27 กิโลกรัม = 1.008982 amu จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงว่า N

จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส (จำนวนนิวคลีออน) เรียกว่า เลขมวลและถูกกำหนดด้วยตัวอักษร A

ในการระบุนิวเคลียส จะใช้สัญลักษณ์นี้ โดยที่ X คือสัญลักษณ์ทางเคมีของธาตุ

ไอโซโทป- อะตอมต่าง ๆ ที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน โดยนิวเคลียสของอะตอมมีจำนวนโปรตอน (Z) เท่ากัน และ หมายเลขที่แตกต่างกันนิวตรอน (N) นิวเคลียสของอะตอมดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าไอโซโทป ไอโซโทปครอบครองตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุ ตัวอย่างเช่น นี่คือไอโซโทปของไฮโดรเจน:

แนวคิดเรื่องพลังนิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมเป็นรูปแบบที่รุนแรงมาก แม้ว่าโปรตอนที่มีประจุคล้ายกันซึ่งมีระยะห่างในนิวเคลียสของอะตอมจะน้อยมาก จะต้องผลักกันซึ่งกันและกันด้วยพลังอันมหาศาล ด้วยเหตุนี้ แรงดึงดูดที่รุนแรงอย่างยิ่งระหว่างนิวคลีออนจึงกระทำภายในนิวเคลียส ซึ่งมากกว่าแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอนหลายเท่า พลังนิวเคลียร์เป็นพลังประเภทพิเศษซึ่งเป็นพลังที่รุนแรงที่สุดในบรรดาปฏิกิริยาที่รู้จักในธรรมชาติ

การวิจัยแสดงให้เห็นว่ากองกำลังนิวเคลียร์มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

แรงดึงดูดทางนิวเคลียร์กระทำระหว่างนิวคลีออนใดๆ โดยไม่คำนึงถึงสถานะประจุ

แรงดึงดูดทางนิวเคลียร์นั้นมีพิสัยสั้น: พวกมันกระทำระหว่างนิวคลีออนสองตัวที่ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของอนุภาคประมาณ 2·10 -15 m และลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น (ที่ระยะห่างมากกว่า 3·10 -15 ม. ในทางปฏิบัติแล้ว เท่ากับศูนย์);

พลังนิวเคลียร์มีลักษณะเฉพาะด้วยความอิ่มตัวเช่น แต่ละนิวคลีออนสามารถโต้ตอบกับนิวคลีออนของนิวเคลียสที่อยู่ใกล้ที่สุดเท่านั้น

กองกำลังนิวเคลียร์ไม่ใช่ศูนย์กลาง เช่น พวกมันไม่ได้ทำหน้าที่ตามแนวเส้นที่เชื่อมต่อศูนย์กลางของนิวคลีออนที่มีปฏิสัมพันธ์กัน

ปัจจุบันยังไม่เป็นที่เข้าใจธรรมชาติของพลังนิวเคลียร์อย่างถ่องแท้ เป็นที่ยอมรับแล้วว่าเป็นสิ่งที่เรียกว่ากองกำลังแลกเปลี่ยน แรงแลกเปลี่ยนถือเป็นควอนตัมในธรรมชาติและไม่มีความคล้ายคลึงกันในฟิสิกส์คลาสสิก นิวคลีออนเชื่อมต่อถึงกันด้วยอนุภาคที่สามซึ่งพวกมันจะแลกเปลี่ยนกันอย่างต่อเนื่อง ในปี 1935 นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น เอช. ยูกาวะ แสดงให้เห็นว่านิวคลีออนแลกเปลี่ยนอนุภาคซึ่งมีมวลมากกว่ามวลอิเล็กตรอนประมาณ 250 เท่า อนุภาคที่ทำนายไว้ถูกค้นพบในปี 1947 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เอส. พาวเวลล์ ขณะศึกษารังสีคอสมิก และต่อมาถูกเรียกว่า -มีซอนหรือไพออน

การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของนิวตรอนและโปรตอนได้รับการยืนยันจากการทดลองต่างๆ

ข้อบกพร่องในมวลของนิวเคลียสของอะตอม พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสของอะตอม

นิวคลีออนในนิวเคลียสของอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยแรงนิวเคลียร์ ดังนั้นเพื่อที่จะแบ่งนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัว จึงจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมาก

พลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบเรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์. พลังงานในปริมาณเท่ากันจะถูกปล่อยออกมาหากนิวตรอนและโปรตอนอิสระรวมกันและก่อตัวเป็นนิวเคลียส

การวัดมวลสเปกโทรสโกปีที่แม่นยำของมวลนิวเคลียร์แสดงให้เห็นว่ามวลส่วนที่เหลือของนิวเคลียสอะตอมน้อยกว่าผลรวมของมวลที่เหลือของนิวตรอนอิสระและโปรตอนซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดนิวเคลียส ความแตกต่างระหว่างผลรวมของมวลที่เหลือของนิวคลีออนอิสระที่เกิดจากนิวเคลียสและมวลของนิวเคลียสเรียกว่า ข้อบกพร่องมวล:

ผลต่างของมวล m นี้สอดคล้องกับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส อี เซนต์.กำหนดโดยความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์:

หรือแทนที่นิพจน์ด้วย  ม, เราได้รับ:

พลังงานยึดเหนี่ยวมักจะแสดงเป็นเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ให้เราพิจารณาพลังงานยึดเหนี่ยวที่สอดคล้องกับหนึ่งหน่วยมวลอะตอม (ความเร็วแสงในสุญญากาศ
):

ลองแปลงค่าผลลัพธ์เป็นอิเล็กตรอนโวลต์:

ในเรื่องนี้ ในทางปฏิบัติ จะสะดวกกว่าที่จะใช้สำนวนต่อไปนี้สำหรับพลังงานยึดเหนี่ยว:

โดยที่ปัจจัย m แสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม

ลักษณะสำคัญของนิวเคลียสคือพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียส กล่าวคือ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน:

.

ยิ่ง ยิ่งนิวคลีออนเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนามากขึ้นเท่านั้น

การขึ้นต่อกันของค่า  กับเลขมวลของนิวเคลียสแสดงในรูปที่ 1 ดังที่เห็นได้จากกราฟ นิวคลีออนในนิวเคลียสที่มีเลขมวลลำดับ 50-60 (Cr-Zn) มีพันธะที่แน่นหนาที่สุด พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเหล่านี้ไปถึง

8.7 MeV/นิวคลีออน เมื่อ A เพิ่มขึ้น พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะจะค่อยๆ ลดลง

รังสีกัมมันตภาพรังสีและประเภทของมัน กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส A. Becquerel ในปี 1896 ในขณะที่ศึกษาการเรืองแสงของเกลือยูเรเนียม เขาบังเอิญค้นพบการแผ่รังสีโดยธรรมชาติที่ไม่ทราบสาเหตุโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งกระทำบนแผ่นถ่ายภาพ ทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออน ผ่านแผ่นโลหะบาง ๆ และทำให้เกิดการเรืองแสงของสารจำนวนหนึ่ง

จากการศึกษาปรากฏการณ์นี้ต่อไป ครอบครัว Curies ค้นพบว่ารังสีดังกล่าวเป็นลักษณะเฉพาะไม่เพียงแต่ของยูเรเนียมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงธาตุหนักอื่นๆ อีกหลายชนิดด้วย (ทอเรียม แอกทิเนียม โพโลเนียม
,เรเดียม
).

รังสีที่ตรวจพบนั้นเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี และปรากฏการณ์นั้นเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี

การทดลองเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าลักษณะของรังสีของยาไม่ได้รับอิทธิพลจากชนิดของสารเคมี การเชื่อมต่อ สถานะทางกายภาพ ความดัน อุณหภูมิ ไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็ก, เช่น. อิทธิพลทั้งหมดที่อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสภาพ เปลือกอิเล็กตรอนอะตอม. ดังนั้นคุณสมบัติกัมมันตภาพรังสีขององค์ประกอบจึงถูกกำหนดโดยโครงสร้างของนิวเคลียสเท่านั้น

กัมมันตภาพรังสีคือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของอะตอมบางส่วนไปเป็นนิวเคลียสอื่น ๆ พร้อมกับการปล่อยอนุภาคมูลฐาน กัมมันตภาพรังสีแบ่งออกเป็นธรรมชาติ (สังเกตได้ในไอโซโทปที่ไม่เสถียรที่มีอยู่ในธรรมชาติ) และกัมมันตภาพรังสีเทียม (สังเกตได้ในไอโซโทปที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์) ไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างสิ่งเหล่านี้กฎของการเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสีเหมือนกัน รังสีกัมมันตภาพรังสีมีองค์ประกอบที่ซับซ้อน (รูปที่ 2)

- รังสีคือการไหลของนิวเคลียสของฮีเลียม
,
มีความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนสูงและมีความสามารถในการทะลุทะลวงต่ำ (ถูกดูดซับโดยชั้นอลูมิเนียม กับ
มม.)

- รังสี– การไหลของอิเล็กตรอนเร็ว ความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนจะน้อยกว่าประมาณ 2 ลำดับความสำคัญและความสามารถในการเจาะทะลุนั้นยิ่งใหญ่กว่ามาก มันถูกดูดซับโดยชั้นอลูมิเนียมที่มี
มม.

- รังสี– รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นสั้นด้วย
m และด้วยเหตุนี้จึงมีคุณสมบัติทางร่างกายที่เด่นชัดเช่น เป็นกระแส ควอนตัม มีความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนค่อนข้างอ่อนและมีความสามารถในการเจาะทะลุสูงมาก (ผ่านชั้นตะกั่วด้วย
ซม.)

นิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีส่วนบุคคลได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นอิสระจากกัน ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าจำนวนคอร์
, สลายไปตามกาลเวลา
เป็นสัดส่วนกับจำนวนนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่
และเวลา
:

,
.

เครื่องหมายลบสะท้อนถึงความจริงที่ว่าจำนวนนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีกำลังลดลง

- ค่าคงที่การสลายกัมมันตภาพรังสีซึ่งเป็นลักษณะของสารกัมมันตภาพรังสีที่กำหนดกำหนดอัตราการสลายกัมมันตภาพรังสี

,
,

,
,
,
,

- กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

- จำนวนคอร์ในครั้งแรก
,

- จำนวนนิวเคลียสที่ไม่สลายตัวในแต่ละครั้ง .

จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย ลดลงตามกฎเลขชี้กำลัง

จำนวนนิวเคลียสที่สลายตัวเมื่อเวลาผ่านไป ถูกกำหนดโดยนิพจน์

ช่วงเวลาที่เรียกว่าครึ่งหนึ่งของจำนวนนิวเคลียสเดิมที่สลายตัว ครึ่งชีวิต. มากำหนดมูลค่าของมันกัน

ที่

,

,
,
,

,
.

ครึ่งชีวิตของนิวเคลียสกัมมันตรังสีที่รู้จักในปัจจุบันอยู่ในช่วงตั้งแต่ 310 -7 วินาที ถึง 510 15 ปี

เรียกว่าจำนวนนิวเคลียสที่สลายตัวต่อหน่วยเวลา กิจกรรมของธาตุในแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสี

.

กิจกรรมต่อหน่วยมวลของสาร - กิจกรรมเฉพาะ

.

หน่วยของกิจกรรมในภาษา C คือ เบกเคอเรล (Bq)

1 Bq – กิจกรรมขององค์ประกอบ โดยที่การสลายตัว 1 ครั้งเกิดขึ้นใน 1 วินาที

[A]=1Bq=1 .

หน่วยนอกระบบของกัมมันตภาพรังสีคือคูรี (Ci) 1Ki - กิจกรรมที่ 3.710 10 เหตุการณ์การสลายตัวเกิดขึ้นใน 1 วินาที

กฎหมายการอนุรักษ์การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและปฏิกิริยานิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมที่กำลังสลายตัวเรียกว่า มารดาแกนกลางที่เกิดขึ้นใหม่- บริษัท ย่อย.

การสลายตัวของกัมมันตรังสีเกิดขึ้นตามกฎการกระจัดที่เรียกว่า ซึ่งทำให้สามารถระบุได้ว่านิวเคลียสใดเป็นผลจากการสลายตัวของนิวเคลียสต้นกำเนิดที่กำหนด

กฎการแทนที่เป็นผลมาจากกฎสองข้อที่ใช้บังคับในระหว่างการสลายกัมมันตภาพรังสี

1. กฎการอนุรักษ์ ค่าไฟฟ้า:

ผลรวมของประจุของนิวเคลียสและอนุภาคที่โผล่ออกมาจะเท่ากับประจุของนิวเคลียสดั้งเดิม

2. กฎการอนุรักษ์เลขมวล:

ผลรวมของจำนวนมวลของนิวเคลียสและอนุภาคที่โผล่ออกมาจะเท่ากับจำนวนมวลของนิวเคลียสดั้งเดิม

อัลฟ่าสลายตัว

- รังสีเป็นตัวแทนของกระแสนิวเคลียส
. ความเสื่อมสลายดำเนินไปตามแบบแผน

,

เอ็กซ์– สัญลักษณ์ทางเคมีของนิวเคลียสของแม่ - ลูกสาว.

การสลายตัวของอัลฟ่ามักจะมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากนิวเคลียสของลูกสาว - รังสี

จากแผนภาพ จะเห็นได้ว่าเลขอะตอมของนิวเคลียสลูกสาวมีค่าน้อยกว่านิวเคลียสต้นกำเนิด 2 หน่วย และเลขมวลคือ 4 หน่วย กล่าวคือ องค์ประกอบผลลัพธ์ - การสลายจะอยู่ในตารางธาตุ 2 เซลล์ทางด้านซ้ายของธาตุเดิม

.

เช่นเดียวกับที่โฟตอนไม่มีอยู่ในรูปแบบสำเร็จรูปในส่วนลึกของอะตอมและปรากฏเฉพาะในขณะที่ปล่อยออกมาเท่านั้น - อนุภาคนั้นไม่มีอยู่ในรูปแบบที่สมบูรณ์ในนิวเคลียส แต่ปรากฏขึ้นในขณะที่การสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีเมื่อโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัวเคลื่อนที่ภายในนิวเคลียสมาบรรจบกัน

เบต้า-สลายตัว

- การสลายตัวหรือการสลายตัวทางอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นตามโครงการ

.

องค์ประกอบผลลัพธ์
จะอยู่ในตารางหนึ่งเซลล์ทางด้านขวา (แทนที่) สัมพันธ์กับองค์ประกอบดั้งเดิม

การสลายตัวของเบต้าอาจมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจก - รังสี

รังสีแกมมา . ได้มีการทดลองแล้วว่า รังสีไม่ใช่กัมมันตภาพรังสีชนิดอิสระ แต่มาพร้อมกับเท่านั้น - และ -การสลายตัว เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ การชะลอตัวของอนุภาคมีประจุ การสลายตัวของพวกมัน ฯลฯ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นกระบวนการอันตรกิริยารุนแรงของนิวเคลียสของอะตอมกับอนุภาคมูลฐานหรือนิวเคลียสอื่น ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส (หรือนิวเคลียส) ปฏิกิริยาของอนุภาคที่ทำปฏิกิริยาเกิดขึ้นเมื่อพวกมันมารวมกันในระยะห่างประมาณ 10 -15 ม. เช่น เป็นระยะทางที่สามารถเกิดปฏิกิริยาของแรงนิวเคลียร์ได้ r~10 -15 ม.

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือปฏิกิริยาอันตรกิริยาของอนุภาคแสง “กับนิวเคลียส X ซึ่งส่งผลให้เกิดอนุภาคแสง” วี" และเคอร์เนล Y.

X คือแกนเริ่มต้น Y คือแกนสุดท้าย

-อนุภาคทำให้เกิดปฏิกิริยา

วี– อนุภาคที่เกิดจากปฏิกิริยา

เป็นอนุภาคแสง กและ วีอาจรวมถึงนิวตรอนด้วย ,โปรตอน , ดิวเทอรอน
,- อนุภาค
,- โฟตอน

ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ใดๆ จะต้องเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์:

1) ประจุไฟฟ้า: ผลรวมของประจุของนิวเคลียสและอนุภาคที่เข้าสู่ปฏิกิริยาเท่ากับผลรวมของประจุของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (นิวเคลียสและอนุภาค) ของปฏิกิริยา

2) เลขมวล;

3) พลังงาน;

4) แรงกระตุ้น;

5) โมเมนตัมเชิงมุม

ผลกระทบด้านพลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถคำนวณได้โดยการสร้างสมดุลพลังงานสำหรับปฏิกิริยานั้น ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาและดูดซับเรียกว่าพลังงานปฏิกิริยา และถูกกำหนดโดยความแตกต่างในมวล (แสดงเป็นหน่วยพลังงาน) ของผลิตภัณฑ์เริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของปฏิกิริยานิวเคลียร์ หากผลรวมของมวลของนิวเคลียสและอนุภาคที่เกิดขึ้นเกินกว่าผลรวมของมวลของนิวเคลียสและอนุภาคเริ่มต้น ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นกับการดูดซับพลังงาน (และในทางกลับกัน)

คำถามที่ว่าการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์เกี่ยวข้องกับการดูดกลืนหรือการปลดปล่อยพลังงานใดบ้างที่สามารถแก้ไขได้โดยใช้กราฟของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะเทียบกับเลขมวล A (รูปที่ 1) กราฟแสดงให้เห็นว่าเมล็ดของธาตุที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของตารางธาตุมีความคงตัวน้อยกว่าเพราะว่า  พวกเขามีน้อย

ด้วยเหตุนี้ การปล่อยพลังงานนิวเคลียร์จึงเกิดขึ้นทั้งในระหว่างปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสหนัก และระหว่างปฏิกิริยาฟิวชันของนิวเคลียสเบา

บทบัญญัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากใช้วิธีทางอุตสาหกรรมในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์

นิวเคลียสในนิวเคลียสถูกยึดอย่างแน่นหนาโดยกองกำลังนิวเคลียร์ เพื่อที่จะเอานิวคลีออนออกจากนิวเคลียส จะต้องทำงานหลายอย่าง กล่าวคือ ต้องให้พลังงานที่สำคัญแก่นิวเคลียส

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสอะตอม Eb แสดงถึงความเข้มของอันตรกิริยาของนิวคลีออนในนิวเคลียสและเท่ากับพลังงานสูงสุดที่ต้องใช้ในการแบ่งนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่ไม่มีปฏิกิริยาโต้ตอบแต่ละตัวโดยไม่ให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน นิวเคลียสแต่ละอันมีพลังงานยึดเหนี่ยวของตัวเอง ยิ่งพลังงานนี้มากขึ้น นิวเคลียสของอะตอมก็จะยิ่งมีเสถียรภาพมากขึ้นเท่านั้น การวัดมวลนิวเคลียร์ที่แม่นยำแสดงให้เห็นว่ามวลส่วนที่เหลือของนิวเคลียส m i นั้นน้อยกว่าผลรวมของมวลที่เหลือของโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นส่วนประกอบเสมอ ผลต่างมวลนี้เรียกว่าข้อบกพร่องมวล:

นี่เป็นส่วนหนึ่งของมวล Dm ที่สูญเสียไประหว่างการปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยว เมื่อใช้กฎความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน เราได้:

โดยที่ m n คือมวลของอะตอมไฮโดรเจน

การทดแทนนี้สะดวกสำหรับการคำนวณและข้อผิดพลาดในการคำนวณที่เกิดขึ้นในกรณีนี้ไม่มีนัยสำคัญ ถ้าเราแทน Dm ลงในสูตรพลังงานยึดเหนี่ยวในหน่วย a.m.u. แล้วสำหรับ อีเซนต์สามารถเขียนได้:

ข้อมูลสำคัญคุณสมบัติของนิวเคลียสนั้นขึ้นอยู่กับพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะกับเลขมวล A

พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะ E จังหวะ - พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ต่อ 1 นิวคลีออน:

ในรูป 116 แสดงกราฟที่เรียบของการขึ้นต่อกันของจังหวะ E ที่กระทำต่อ A

เส้นโค้งในรูปมีค่าสูงสุดที่แสดงออกมาอย่างอ่อน องค์ประกอบที่มีเลขมวลตั้งแต่ 50 ถึง 60 (เหล็กและธาตุใกล้เคียง) มีพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะสูงสุด นิวเคลียสขององค์ประกอบเหล่านี้มีเสถียรภาพมากที่สุด

กราฟแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสหนักเข้าสู่นิวเคลียสขององค์ประกอบในส่วนตรงกลางของตารางของ D. Mendeleev รวมถึงปฏิกิริยาของการสังเคราะห์นิวเคลียสเบา (ไฮโดรเจน, ฮีเลียม) ไปเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่านั้นเป็นที่ชื่นชอบอย่างมีพลัง ปฏิกิริยาเนื่องจากพวกมันจะมาพร้อมกับการก่อตัวของนิวเคลียสที่เสถียรมากขึ้น (ด้วยการเต้นของ E ขนาดใหญ่) และด้วยเหตุนี้จึงดำเนินการปล่อยพลังงาน (E > 0)

กองกำลังนิวเคลียร์ โมเดลเคอร์เนล

นิวเคลียร์ กองกำลัง - ความแข็งแกร่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออน ให้พลังงานจับตัวกับนิวเคลียร์ในปริมาณที่มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับระบบอื่น ฉันอยู่กับ. มากที่สุด ตัวอย่างที่สำคัญและพบเห็นได้ทั่วไป ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง(สวี). กาลครั้งหนึ่ง แนวคิดเหล่านี้มีความหมายเหมือนกัน และมีการใช้คำว่า "ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง" เพื่อเน้นย้ำถึงขนาดมหาศาลของพลัง เมื่อเปรียบเทียบกับแรงอื่น ๆ ที่รู้จักในธรรมชาติ: แม่เหล็กไฟฟ้า, อ่อน, แรงโน้มถ่วง หลังจากเปิดหน้า -, ร - และอื่น ๆ. มีซอน, ไฮเปอร์รอน ฯลฯ ฮาดรอนคำว่า "ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง" เริ่มถูกนำมาใช้ในความหมายที่กว้างขึ้น - เป็นปฏิสัมพันธ์ของฮาดรอน ในปี 1970 โครโมไดนามิกส์ควอนตัม(QCD) ได้สร้างชื่อเสียงให้ตัวเองเป็นกล้องจุลทรรศน์ที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป ทฤษฎีเอสวี ตามทฤษฎีนี้ ฮาดรอนเป็นอนุภาคประกอบที่ประกอบด้วย ควาร์กและ กลูออน,และโดย SV พวกเขาเริ่มเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของกองทุนเหล่านี้ อนุภาค

แบบจำลองหยดของนิวเคลียส- หนึ่งในแบบจำลองแรกสุดของโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอม เสนอโดย Niels Bohr ในปี 1936 ภายในกรอบของทฤษฎีนิวเคลียสสารประกอบ พัฒนาโดย Jacob Frenkel และต่อมาคือ John Wheeler บนพื้นฐานของ Karl Weizsäcker เป็นคนแรก ได้รับสูตรกึ่งประจักษ์สำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสของอะตอมซึ่งเรียกว่าเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา สูตรไวซ์แซคเกอร์.

ตามทฤษฎีนี้ นิวเคลียสของอะตอมสามารถแสดงเป็นหยดของสสารนิวเคลียร์พิเศษทรงกลมที่มีประจุสม่ำเสมอ ซึ่งมีคุณสมบัติบางอย่าง เช่น ไม่สามารถอัดได้ ความอิ่มตัวของแรงนิวเคลียร์ “การระเหย” ของนิวคลีออน (นิวตรอนและโปรตอน) และมีลักษณะคล้ายกัน ของเหลว ในการเชื่อมต่อนี้ คุณสมบัติอื่น ๆ ของหยดของของเหลวสามารถขยายไปยังแกนหยดได้เช่นแรงตึงผิว การกระจายตัวของหยดให้มีขนาดเล็กลง (นิวเคลียสฟิชชัน) การรวมหยดเล็ก ๆ ให้เป็นหยดใหญ่ (ฟิวชั่น) ของนิวเคลียส) โดยคำนึงถึงคุณสมบัติทั่วไปเหล่านี้กับสสารที่เป็นของเหลวและนิวเคลียร์ด้วย คุณสมบัติเฉพาะอย่างหลังซึ่งเกิดขึ้นจากหลักการของเพาลีและการมีอยู่ของประจุไฟฟ้า เราสามารถได้รับสูตรไวซ์แซคเกอร์กึ่งเชิงประจักษ์ ซึ่งช่วยให้เราสามารถคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส และมวลของนิวเคลียสได้ หากทราบองค์ประกอบของนิวคลีออน ( จำนวนนิวเคลียสทั้งหมด (เลขมวล) และจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส)

นิวเคลียสในนิวเคลียสอยู่ในสถานะที่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสถานะอิสระ ยกเว้นนิวเคลียสของไฮโดรเจนธรรมดา ในทุกคอร์มีนิวคลีออนอย่างน้อยสองตัว ซึ่งระหว่างนั้นมีนิวเคลียสพิเศษอยู่ พลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง – แรงดึงดูดที่ทำให้นิวเคลียสมีความเสถียรแม้จะมีการผลักกันของโปรตอนที่มีประจุเหมือนกันก็ตาม

· พลังงานจับกับนิวคลีออนในนิวเคลียสเป็นปริมาณทางกายภาพเท่ากับงานที่ต้องทำเพื่อเอานิวคลีออนออกจากนิวเคลียสโดยไม่ต้องให้พลังงานจลน์แก่มัน

· พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ กำหนดโดยปริมาณงาน,ซึ่งจำเป็นต้องทำ,เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบโดยไม่ต้องให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน.

จากกฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นไปตามที่ว่าในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสพลังงานจะต้องถูกปล่อยออกมาซึ่งจะต้องถูกใช้ไปในระหว่างการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวเคลียสที่เป็นส่วนประกอบ พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสคือความแตกต่างระหว่างพลังงานของนิวคลีออนอิสระทั้งหมดที่ประกอบเป็นนิวเคลียสกับพลังงานของพวกมันในนิวเคลียส

เมื่อนิวเคลียสถูกสร้างขึ้น มวลของมันจะลดลง มวลของนิวเคลียสจะน้อยกว่าผลรวมของมวลของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ การลดลงของมวลนิวเคลียสในระหว่างการก่อตัวนั้นอธิบายได้จากการปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยว ถ้า ว sv คือปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส จากนั้นจึงเป็นมวลที่สอดคล้องกัน

เรียกว่า ข้อบกพร่องมวล และแสดงลักษณะการลดลงของมวลรวมในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสจากนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ

ถ้านิวเคลียสมีมวล มพิษเกิดขึ้นจาก ซีโปรตอนกับมวล ม.พีและจาก ( ก – ซี) นิวตรอนที่มีมวล ม, ที่:

แทนที่จะเป็นมวลแกนกลาง มค่าพิษ ∆ มสามารถแสดงในรูปของมวลอะตอมได้ มที่:

ที่ไหน มเอ็น– มวลของอะตอมไฮโดรเจน ในการคำนวณภาคปฏิบัติ ∆ มมวลของอนุภาคและอะตอมทั้งหมดจะแสดงออกมา หน่วยมวลอะตอม (ก.ม.). หน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วยสอดคล้องกับหน่วยพลังงานปรมาณู (a.u.e.): 1 a.u.e. = 931.5016 เมฟ.

ข้อบกพร่องมวลทำหน้าที่เป็นตัววัดพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส:

พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์จำเพาะ ω เซนต์ เรียกว่าพลังงานผูกมัด,ต่อนิวคลีออน:

ค่าของ ωb โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 8 MeV/นิวคลีออน ในรูป รูปที่ 9.2 แสดงการขึ้นต่อกันของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะกับเลขมวล กแสดงถึงความแข็งแกร่งที่แตกต่างกันของพันธะนิวคลีออนในนิวเคลียสที่แตกต่างกัน องค์ประกอบทางเคมี. นิวเคลียสขององค์ประกอบที่อยู่ตรงกลางของตารางธาตุ () เช่น จากนี้ไป ทนทานที่สุด

ในนิวเคลียสเหล่านี้ ωb ใกล้เคียงกับ 8.7 MeV/นิวคลีออน เมื่อจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานการจับยึดจำเพาะจะลดลง นิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่อยู่ท้ายตารางธาตุ (เช่น นิวเคลียสยูเรเนียม) มี ω แสง asym 7.6 MeV/นิวคลีออน สิ่งนี้อธิบายถึงความเป็นไปได้ในการปล่อยพลังงานระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสหนัก ในบริเวณที่มีมวลน้อย จะมี “ยอด” แหลมคมของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะ แม็กซิมาเป็นแบบปกติของนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นจำนวนคู่ ( , , ) ค่าต่ำสุดเป็นลักษณะเฉพาะของนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่ ( , , )

หากนิวเคลียสมีพลังงานต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ ก็จะตั้งอยู่ วี สถานะพลังงานพื้นฐาน . ถ้านิวเคลียสมีพลังงานก็จะตั้งอยู่ วี สถานะพลังงานที่ตื่นเต้น . กรณีนี้สอดคล้องกับการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ ต่างจากระดับพลังงานของอะตอมซึ่งอยู่ห่างกันด้วยหน่วยของอิเล็กตรอนโวลต์ ระดับพลังงานของนิวเคลียสจะถูกเว้นระยะห่างด้วยเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ซึ่งจะอธิบายที่มาและคุณสมบัติของรังสีแกมมา

ข้อมูลเกี่ยวกับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสและการใช้แบบจำลองหยดของนิวเคลียสทำให้สามารถสร้างความสม่ำเสมอในโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมได้

เกณฑ์ความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอมคืออัตราส่วนระหว่างจำนวนโปรตอนและนิวตรอน ในแกนกลางที่มั่นคงสำหรับข้อมูล isobar () เงื่อนไขของพลังงานนิวเคลียร์ขั้นต่ำนำไปสู่ความสัมพันธ์ระหว่างดังต่อไปนี้ ซีปากและ ก:

.

(9.2.6)

หาจำนวนเต็ม ซีปากที่ใกล้กับอันที่ได้จากสูตรนี้มากที่สุด

ที่มีค่าน้อยและปานกลาง กจำนวนนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสที่เสถียรมีค่าเท่ากันโดยประมาณ: ซี ≈ ก – ซี.

ด้วยการเจริญเติบโต ซีแรงผลักคูลอมบ์ของโปรตอนเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ซี·( ซี – 1) ~ ซี 2 (ปฏิกิริยาระหว่างคู่โปรตอน) และเพื่อชดเชยแรงผลักของนิวเคลียร์นี้ จำนวนนิวตรอนจะต้องเพิ่มขึ้นเร็วกว่าจำนวนโปรตอน

หากต้องการดูการสาธิต ให้คลิกที่ไฮเปอร์ลิงก์ที่เหมาะสม:

นิวคลีออนภายในนิวเคลียสถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์ พวกมันถูกควบคุมด้วยพลังงานบางอย่าง การวัดพลังงานนี้โดยตรงค่อนข้างยาก แต่ก็สามารถทำได้โดยอ้อม มีเหตุผลที่จะสรุปได้ว่าพลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะของนิวคลีออนในนิวเคลียสจะเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานที่ยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกัน

พลังงานยึดเหนี่ยวและพลังงานนิวเคลียร์

ตอนนี้พลังงานที่ใช้นี้วัดได้ง่ายขึ้น เห็นได้ชัดว่าค่านี้จะสะท้อนปริมาณพลังงานที่เก็บนิวคลีออนไว้ในนิวเคลียสได้อย่างแม่นยำมาก ดังนั้นจึงเรียกว่าพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการแบ่งนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนแต่ละตัว พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์.

ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน

เรารู้ว่าพลังงานใดๆ ก็ตามมีความเกี่ยวข้องกับมวลกายในสัดส่วนโดยตรง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องธรรมดาที่พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียสนี้ ความสัมพันธ์นี้ก่อตั้งโดย Albert Einstein ในปี 1905 มันถูกเรียกว่ากฎแห่งความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน ตามกฎหมายนี้ พลังงานภายในของระบบอนุภาคหรือพลังงานนิ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของอนุภาคที่ประกอบกันเป็นระบบนี้:

โดยที่ E คือพลังงาน m คือมวล
c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ

ผลกระทบจากข้อบกพร่องมวล

ทีนี้ สมมติว่าเราแยกนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นนิวเคลียสที่เป็นส่วนประกอบของมัน หรือดึงนิวเคลียสจำนวนหนึ่งมาจากนิวเคลียส เราใช้พลังงานบางส่วนเพื่อเอาชนะพลังนิวเคลียร์ เนื่องจากเราทำงานอยู่ ในกรณีของกระบวนการย้อนกลับ - การสังเคราะห์นิวเคลียสหรือการเติมนิวคลีออนเข้ากับนิวเคลียสที่มีอยู่แล้ว ในทางกลับกัน พลังงานจะถูกปล่อยออกมาตามกฎการอนุรักษ์ เมื่อพลังงานนิ่งของระบบอนุภาคเปลี่ยนแปลงเนื่องจากกระบวนการบางอย่าง มวลของอนุภาคก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย สูตรในกรณีนี้ จะเป็นดังนี้:

∆m=(∆E_0)/c^2หรือ ∆E_0=∆mc^2,

โดยที่ ∆E_0 คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานนิ่งของระบบอนุภาค
∆m – การเปลี่ยนแปลงมวลอนุภาค

ตัวอย่างเช่น ในกรณีของการหลอมรวมของนิวคลีออนและการก่อตัวของนิวเคลียส เราจะพบการปลดปล่อยพลังงานและลดลง มวลรวมนิวเคลียส มวลและพลังงานถูกพาออกไปโดยโฟตอนที่ปล่อยออกมา นี่คือเอฟเฟกต์ข้อบกพร่องมวล. มวลของนิวเคลียสจะน้อยกว่าผลรวมของมวลของนิวคลีออนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสนี้เสมอ ในเชิงตัวเลข ข้อบกพร่องมวลจะแสดงดังนี้:

∆m=(Zm_p+Nm_n)-M_я,

โดยที่ M_i คือมวลของนิวเคลียส
Z คือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส
N คือจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส
m_p – มวลของโปรตอนอิสระ
m_n คือมวลของนิวตรอนอิสระ

ค่า ∆m ในสองสูตรด้านบนคือปริมาณที่มวลรวมของอนุภาคของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไปเมื่อพลังงานเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการแตกหรือการหลอมรวม ในกรณีของการสังเคราะห์ ปริมาณนี้จะเป็นข้อบกพร่องจำนวนมาก