Energia wiązania
Transkrypt
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