Energia wiązania

Energia wiązania
Teoretyczna masa jądra – suma mas (spoczynkowych) nukleonów (tzn. protonów i neutronów) znajdujących się w jądrze:
gdzie:
– teoretyczna masa jądra,
– liczba atomowa jądra,
– liczba masowa jądra,
– masa spoczynkowa neutronu,
– masa spoczynkowa protonu.
Doświadczalnie stwierdzono, że masy teoretyczne jąder wszystkich izotopów (poza
) są większe od
ich mas rzeczywistych (zmierzonych np. spektroskopem masowym). Defektem masy jądra (
) nazywa się
różnicę teoretycznej i rzeczywistej masy jądra (
):
Z wzoru Einsteina:
oraz zasady zachowania energii – masy wynika, że energia odpowiadająca defektowi masy:
została wydzielona w czasie tworzenia się jądra z części składowych (nukleonów). Aby rozłożyć jądro na części składowe należy dostarczyć energii o takiej samej wartości, dlatego energia ta nosi nazwę energii wiązania nukleonów w jądrze ( ):
Miarą trwałości jądra jest tzw. średnia energia wiązania nukleonu w jądrze (
stosunek całkowitej energii wiązania nukleonów ( ) do liczby masowej jądra ( ):
), którą definiuje się jako
Energia ta jest około
razy większa od energii wiązania elektronów zewnętrznych w atomach. Ze
względów praktycznych w fizyce jądrowej jako jednostek energii używa się często tzw. elektronowoltów ( ):
Średnie energie wiązania nukleonu
dużą wartość tej energii mają jądra:
dla jąder lekkich wykazują duże wahania wartości (szczególnie
to znaczy jądra o jednakowej liczbie protonów i neutronów). Przy zwiększaniu liczby masowej (do
)
energia ta powoli rośnie do około
, po czym (dla
) zaczyna stopniowo maleć do około
.
Energia wiązania. Reakcja rozszczepienia
Strona 1
Z przebiegu krzywej można wnioskować, w jakich przypadkach zostanie w reakcjach jądrowych wyzwolona energia. Ma to miejsce w sytuacji, gdy układ jądrowy o danej średniej energii wiązania
przechodzi w
układ o większej energii wiązania
, wówczas całkowita ilość wydzielonej energii wyraża się zależnością:
Tego rodzaju reakcje zachodzą podczas łączenia się jąder lekkich w jądra cięższe (reakcje syntezy termojądrowej) lub podczas rozszczepienia jąder ciężkich na lżejsze (np. podczas reakcji łańcuchowej).
Reakcja rozszczepienia
Reakcje rozszczepienia: zachodzą podczas bombardowania neutronami jąder najcięższych pierwiastków (inne cząstki o odpowiednio dużej energii mogą również wywołać te reakcje). Jądro pierwiastka bombardowanego rozpada się na dwa jądra lżejsze (zwane fragmentami rozszczepienia, które są zazwyczaj promieniotwórcze). Towarzyszy temu wydzielenie się energii i pewnej liczby neutronów. Z praktycznego punktu
widzenia znaczenie mają tylko reakcje rozszczepienia wywołane przez neutrony. Liczby masowe i atomowe
nowo powstałych jąder oraz liczba emitowanych cząstek elementarnych nie są ściśle określone. W praktyce
jako materiały rozszczepialne wykorzystuje się izotopy uranu (
) oraz plutonu (
Ogólny schemat reakcji rozszczepienia jądra izotopu uranu
).
:
Na przykład:
Energia wiązania. Reakcja rozszczepienia
Strona 2
Powstałe jądra (
i
) są jądrami niestabilnymi, gdyż posiadają za dużo neutronów. Pozbywają się ich
wyrzucając je w czasie
(średnio 2,5 neutronu), a następnie ulegają
przemianom
wywołują neutrony termiczne tzn. o energii rzędu
rozszczepienia izotopu
. Reakcje
. W dostatecznie dużej
masie materiału rozszczepialnego (tzw. masie krytycznej) może nastąpić reakcja łańcuchowa. Reakcja ta
zainicjowana w pewnym punkcie, wzbudza podobne reakcje w miejscach sąsiednich, które szerzą się
ogromną prędkością (jest to tzw. reakcja łańcuchowa lawinowa).
94
36
1
0
n
Kr
235
92
U
235
92
235
92
U
U
235
92
U
139
56
Energia wiązania. Reakcja rozszczepienia
Ba
Strona 3