چگونه انرژی اتصال را در meV پیدا کنیم. انرژی اتصال هسته ای نقص انبوه چند نوکلئون در یک هسته جای می گیرد

مطلقاً هر ماده شیمیایی از مجموعه خاصی از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است. به این دلیل که انرژی اتصال هسته اتم در داخل ذره وجود دارد، کنار هم نگه داشته می شوند.

ویژگی بارز نیروهای جاذبه هسته ای قدرت بسیار بالای آنها در فواصل نسبتاً کوچک (از حدود 10-13 سانتی متر) است. با افزایش فاصله بین ذرات، نیروهای جاذبه درون اتم ضعیف می شوند.

استدلال در مورد انرژی اتصال درون هسته

اگر تصور کنیم که راهی برای جدا کردن پروتون‌ها و نوترون‌ها از هسته یک اتم وجود دارد و آنها را در فاصله‌ای قرار می‌دهیم که انرژی پیوند هسته اتم دیگر عمل نمی‌کند، این کار باید بسیار سخت باشد. برای استخراج اجزای آن از هسته یک اتم، باید سعی کرد بر نیروهای درون اتمی غلبه کرد. این تلاش ها به سمت تقسیم اتم به نوکلئون های موجود در آن انجام می شود. بنابراین می توان قضاوت کرد که انرژی هسته اتم کمتر از انرژی ذرات تشکیل شده از آن است.

آیا جرم ذرات درون اتمی برابر با جرم یک اتم است؟

قبلاً در سال 1919، محققان یاد گرفتند که جرم هسته اتم را اندازه گیری کنند. اغلب با استفاده از ابزارهای فنی خاص به نام طیف سنج جرمی "وزن" می شود. اصل عملکرد چنین دستگاه هایی این است که ویژگی های حرکت ذرات با جرم های مختلف مقایسه می شود. علاوه بر این، چنین ذرات بارهای الکتریکی یکسانی دارند. محاسبات نشان می دهد که ذراتی که جرم های متفاوتی دارند در مسیرهای متفاوتی حرکت می کنند.

دانشمندان مدرن با دقت زیادی جرم تمام هسته ها و همچنین پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده آنها را تعیین کرده اند. اگر جرم یک هسته خاص را با مجموع جرم ذرات موجود در آن مقایسه کنیم، معلوم می شود که در هر مورد جرم هسته بیشتر از جرم تک پروتون ها و نوترون ها خواهد بود. این تفاوت برای هر ماده شیمیایی تقریباً 1٪ خواهد بود. بنابراین می توان نتیجه گرفت که انرژی اتصال یک هسته اتم 1% انرژی استراحت آن است.

خواص نیروهای داخل هسته ای

نوترون هایی که در داخل هسته قرار دارند توسط نیروهای کولن از یکدیگر دفع می شوند. اما اتم از هم نمی پاشد. این امر با وجود نیروی جاذبه بین ذرات در یک اتم تسهیل می شود. چنین نیروهایی که ماهیتی غیر از نیروی الکتریکی دارند، هسته ای نامیده می شوند. و برهم کنش نوترون ها و پروتون ها را برهم کنش قوی می گویند.

به طور خلاصه، خواص نیروهای هسته ای به شرح زیر است:

• این استقلال شارژ است.
• عمل فقط در فواصل کوتاه؛
• و همچنین اشباع، که به حفظ تنها تعداد معینی از نوکلئون ها در نزدیکی یکدیگر اشاره دارد.

طبق قانون بقای انرژی، لحظه ای که ذرات هسته ای با هم ترکیب می شوند، انرژی به صورت تشعشع آزاد می شود.

انرژی اتصال هسته های اتمی: فرمول

برای محاسبات فوق، از فرمول پذیرفته شده استفاده می شود:

خیابان ای=(Z·m p +(A-Z)·m n -Mمن)·c²

اینجا زیر خیابان ایبه انرژی اتصال هسته اشاره دارد. با- سرعت نور؛ ز- تعداد پروتون ها (الف-ذ) - تعداد نوترون ها؛ m pجرم یک پروتون را نشان می دهد. آ m n- جرم نوترون M iجرم هسته یک اتم را نشان می دهد.

انرژی داخلی هسته های مواد مختلف

برای تعیین انرژی اتصال یک هسته از همین فرمول استفاده می شود. انرژی اتصال محاسبه شده با فرمول، همانطور که قبلاً گفته شد، بیش از 1٪ از کل انرژی اتم یا انرژی استراحت نیست. با این حال، با بررسی دقیق تر، معلوم می شود که این عدد هنگام حرکت از ماده ای به ماده دیگر به شدت در نوسان است. اگر سعی کنید مقادیر دقیق آن را تعیین کنید، آنها به خصوص برای هسته های به اصطلاح نور متفاوت خواهند بود.

به عنوان مثال، انرژی اتصال درون اتم هیدروژن صفر است زیرا فقط یک پروتون دارد.انرژی اتصال هسته هلیوم 0.74 درصد خواهد بود. برای هسته های ماده ای به نام تریتیوم، این عدد 0.27 درصد خواهد بود. اکسیژن 0.85 درصد دارد. در هسته هایی با حدود شصت نوکلئون، انرژی پیوند درون اتمی حدود 0.92 درصد خواهد بود. برای هسته های اتمی با جرم بیشتر، این عدد به تدریج به 0.78 درصد کاهش می یابد.

برای تعیین انرژی اتصال هسته هلیوم، تریتیوم، اکسیژن یا هر ماده دیگری از همین فرمول استفاده می شود.

انواع پروتون و نوترون

دلایل اصلی چنین تفاوت هایی را می توان توضیح داد. دانشمندان دریافته اند که تمام نوکلئون های موجود در داخل هسته به دو دسته سطحی و داخلی تقسیم می شوند. نوکلئون های داخلی آنهایی هستند که خود را از هر طرف توسط پروتون ها و نوترون های دیگر احاطه کرده اند. سطحی ها فقط از داخل توسط آنها احاطه شده اند.

انرژی اتصال یک هسته اتمی نیرویی است که در نوکلئون های داخلی بارزتر است. اتفاقاً چیزی مشابه با کشش سطحی مایعات مختلف اتفاق می افتد.

چند نوکلئون در یک هسته جای می گیرد

مشخص شد که تعداد نوکلئون های داخلی به ویژه در هسته های به اصطلاح سبک کم است. و برای آنهایی که به سبک ترین دسته تعلق دارند، تقریباً همه نوکلئون ها سطحی در نظر گرفته می شوند. اعتقاد بر این است که انرژی اتصال یک هسته اتم کمیتی است که باید با تعداد پروتون ها و نوترون ها افزایش یابد. اما حتی این رشد نیز نمی تواند به طور نامحدود ادامه یابد. با تعداد معینی نوکلئون - و این از 50 تا 60 است - نیروی دیگری وارد عمل می شود - دافعه الکتریکی آنها. حتی بدون توجه به وجود انرژی اتصال در داخل هسته رخ می دهد.

انرژی اتصال هسته اتم در مواد مختلف توسط دانشمندان برای آزادسازی انرژی هسته ای استفاده می شود.

بسیاری از دانشمندان همیشه به این سوال علاقه داشته اند: وقتی هسته های سبک تر به هسته های سنگین تر ادغام می شوند، انرژی از کجا می آید؟ در واقع این وضعیت شبیه شکافت اتمی است. در فرآیند همجوشی هسته های سبک، همانطور که در هنگام شکافت هسته های سنگین اتفاق می افتد، همیشه هسته هایی از نوع بادوام تر تشکیل می شوند. برای "به دست آوردن" تمام نوکلئون های موجود در آنها از هسته های سبک، لازم است انرژی کمتری نسبت به آنچه در هنگام ترکیب آزاد می شود صرف شود. عکس آن نیز صادق است. در واقع، انرژی همجوشی که روی واحد جرم خاصی می افتد، ممکن است بیشتر از انرژی ویژه شکافت باشد.

دانشمندانی که فرآیندهای شکافت هسته ای را مطالعه کردند

این فرآیند توسط دانشمندان هان و استراسمن در سال 1938 کشف شد. در دانشگاه شیمی برلین، محققان کشف کردند که در فرآیند بمباران اورانیوم با نوترون‌های دیگر، به عناصر سبک‌تری تبدیل می‌شود که در وسط جدول تناوبی قرار دارند.

سهم قابل توجهی در توسعه این زمینه دانش نیز توسط لیز مایتنر انجام شد، که هان زمانی از او دعوت کرد تا با هم در مورد رادیواکتیویته مطالعه کنند. هان به مایتنر اجازه داد فقط به شرطی کار کند که تحقیقاتش را در زیرزمین انجام دهد و هرگز به طبقات بالا نرود، که این یک واقعیت تبعیض آمیز بود. با این حال، این مانع از دستیابی او به موفقیت قابل توجهی در تحقیقات هسته اتمی نشد.

انرژی اتصال یک مفهوم مهم در شیمی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوند کووالانسی بین دو اتم گاز را تعیین می کند. این مفهوم برای پیوندهای یونی قابل اجرا نیست. وقتی دو اتم با هم ترکیب می شوند و یک مولکول را تشکیل می دهند، می توانید تعیین کنید که پیوند بین آنها چقدر قوی است - فقط انرژی لازم برای شکستن این پیوند را پیدا کنید. به یاد داشته باشید که یک اتم منفرد انرژی اتصال ندارد، این انرژی استحکام پیوند بین دو اتم در یک مولکول را مشخص می کند. برای محاسبه انرژی اتصال برای هر واکنش شیمیایی، کافی است تعداد کل پیوندهای شکسته شده را تعیین کنید و تعداد پیوندهای تشکیل شده را از آن کم کنید.

مراحل

قسمت 1

معادله ای برای محاسبه انرژی اتصال بنویسید.طبق تعریف، انرژی اتصال مجموع پیوندهای شکسته منهای مجموع پیوندهای تشکیل شده است: ΔH = ∑H (پیوندهای شکسته) - ∑H (پیوندهای تشکیل شده). ΔH نشان دهنده تغییر در انرژی اتصال است که آنتالپی اتصال نیز نامیده می شود و ∑H مربوط به مجموع انرژی های اتصال برای هر دو طرف معادله واکنش شیمیایی است.

معادله شیمیایی را بنویسید و تمام ارتباطات بین عناصر منفرد را نشان دهید.اگر معادله واکنشی به صورت نمادها و اعداد شیمیایی داده شود، بازنویسی آن و نشان دادن تمام پیوندهای بین اتم ها مفید است. این نماد بصری به شما این امکان را می دهد که به راحتی پیوندهایی را که در طی یک واکنش معین شکسته و تشکیل شده اند بشمارید.

قوانین شمارش پیوندهای شکسته و تشکیل شده را بیاموزید.در بیشتر موارد از انرژی های اتصال متوسط ​​در محاسبات استفاده می شود. همان پیوند بسته به مولکول خاص می تواند انرژی های کمی متفاوت داشته باشد، بنابراین معمولاً از انرژی های پیوند متوسط ​​استفاده می شود. .

• شکست پیوندهای شیمیایی منفرد، دوگانه و سه گانه به عنوان یک پیوند شکسته در نظر گرفته می شود. اگرچه این پیوندها دارای انرژی های متفاوتی هستند، اما در هر مورد یک پیوند شکسته در نظر گرفته می شود.
• همین امر در مورد تشکیل یک پیوند منفرد، دو یا سه گانه نیز صدق می کند. هر یک از این موارد به عنوان شکل گیری یک اتصال جدید در نظر گرفته می شود.
• در مثال ما، همه اوراق قرضه تک هستند.

1. تعیین کنید کدام پیوندها در سمت چپ معادله شکسته شده اند.سمت چپ یک معادله شیمیایی حاوی واکنش دهنده ها است و نشان دهنده تمام پیوندهایی است که در نتیجه واکنش شکسته می شوند. این یک فرآیند گرماگیر است، به این معنی که انرژی خاصی باید برای شکستن پیوندهای شیمیایی صرف شود.

   • در مثال ما، سمت چپ معادله واکنش شامل یک پیوند H-H و یک پیوند Br-Br است.

2. تعداد پیوندهای تشکیل شده در سمت راست معادله را بشمارید.محصولات واکنش در سمت راست نشان داده شده است. این قسمت از معادله نشان دهنده تمام پیوندهایی است که در نتیجه یک واکنش شیمیایی تشکیل می شوند. این یک فرآیند گرمازا است و انرژی آزاد می کند (معمولاً به شکل گرما).

   • در مثال ما، سمت راست معادله شامل دو پیوند H-Br است.

   قسمت 2

   محاسبه انرژی اتصال

   1. مقادیر انرژی اتصال مورد نیاز را بیابید.جداول زیادی وجود دارد که مقادیر انرژی اتصال را برای طیف گسترده ای از ترکیبات نشان می دهد. چنین جداول را می توان در اینترنت یا در کتاب مرجع شیمی یافت. باید به خاطر داشت که انرژی های اتصال همیشه برای مولکول ها در حالت گاز داده می شود.

   2. مقادیر انرژی پیوند را در تعداد پیوندهای شکسته ضرب کنید.در تعدادی از واکنش ها، یک پیوند می تواند چندین بار شکسته شود. به عنوان مثال، اگر یک مولکول از 4 اتم هیدروژن تشکیل شده باشد، انرژی اتصال هیدروژن باید 4 برابر در نظر گرفته شود، یعنی در 4 ضرب شود.

      • در مثال ما، هر مولکول دارای یک پیوند است، بنابراین مقادیر انرژی پیوند به سادگی در 1 ضرب می شود.
      • H-H = 436 x 1 = 436 kJ/mol
      • Br-Br = 193 x 1 = 193 kJ/mol

   3. تمام انرژی های پیوندهای شکسته را جمع کنید.هنگامی که انرژی پیوند را در تعداد پیوندهای مربوطه در سمت چپ معادله ضرب کردید، باید کل را بیابید.

      • بیایید انرژی کل پیوندهای شکسته را برای مثال خود پیدا کنیم: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 kJ/mol.

نوکلئون ها در هسته ها در حالت هایی هستند که به طور قابل توجهی با حالت های آزاد آنها متفاوت است. به استثنای هسته هیدروژن معمولی، در تمام هسته هاحداقل دو نوکلئون وجود دارد که بین آنها یک نوکلئون خاص وجود دارد نیروی قوی هسته ای - جاذبه ای که پایداری هسته ها را با وجود دفع پروتون های دارای بار مشابه تضمین می کند.

· انرژی اتصال نوکلئوندر هسته یک کمیت فیزیکی برابر با کاری است که باید برای حذف یک نوکلئون از هسته بدون انتقال انرژی جنبشی به آن انجام شود.

· انرژی اتصال هسته ای بر اساس میزان کار تعیین می شود,که باید انجام شود,برای تقسیم یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن بدون اینکه انرژی جنبشی به آنها بدهد.

از قانون بقای انرژی چنین استنباط می شود که در طول تشکیل یک هسته باید انرژی آزاد شود که باید در طول تقسیم هسته به نوکلئون های سازنده آن صرف شود. انرژی اتصال یک هسته تفاوت بین انرژی تمام نوکلئون های آزاد تشکیل دهنده هسته و انرژی آنها در هسته است.

وقتی یک هسته تشکیل می شود، جرم آن کاهش می یابد: جرم هسته کمتر از مجموع جرم های نوکلئون های سازنده آن است. کاهش جرم هسته در طول تشکیل آن با آزاد شدن انرژی اتصال توضیح داده می شود. اگر دبلیو sv مقدار انرژی آزاد شده در طول تشکیل یک هسته و سپس جرم مربوطه است

تماس گرفت نقص انبوه و کاهش جرم کل را در طول تشکیل یک هسته از نوکلئون های تشکیل دهنده آن مشخص می کند.

اگر هسته جرم داشته باشد مسم از زپروتون ها با جرم m pو از ( آ – ز) نوترون های دارای جرم m n، این که:

به جای جرم اصلی ممقدار سم ∆ متررا می توان بر حسب جرم اتمی بیان کرد مدر:

جایی که مترن- جرم اتم هیدروژن در محاسبات عملی ∆ مترجرم تمام ذرات و اتم ها بر حسب بیان می شود واحدهای جرم اتمی (آ.م). یک واحد اتمی جرم با یک واحد انرژی اتمی (a.u.e.) مطابقت دارد: 1 a.u.e. = 931.5016 مگا ولت.

نقص جرم به عنوان معیاری برای انرژی اتصال هسته عمل می کند:

انرژی اتصال هسته ای خاص ω سنت انرژی اتصال نامیده می شود,در هر نوکلئون:

مقدار ωb به طور متوسط ​​8 MeV/nucleon است. در شکل شکل 9.2 وابستگی انرژی اتصال ویژه به عدد جرمی را نشان می دهد آ، مشخص کردن قدرت های مختلف پیوندهای نوکلئونی در هسته عناصر شیمیایی مختلف. هسته های عناصر در قسمت میانی جدول تناوبی ()، یعنی. از تا ، بادوام ترین.

در این هسته ها، ωb نزدیک به 8.7 MeV/نوکلئون است. با افزایش تعداد نوکلئون ها در هسته، انرژی اتصال ویژه کاهش می یابد. هسته اتم های عناصر شیمیایی واقع در انتهای جدول تناوبی (مثلاً هسته اورانیوم) دارای نور ω ≈ 7.6 MeV/نوکلئون است. این موضوع امکان آزاد شدن انرژی در طی شکافت هسته های سنگین را توضیح می دهد. در ناحیه ای با اعداد جرمی کوچک، "قله های" تیز انرژی اتصال ویژه وجود دارد. ماکسیما برای هسته‌هایی با تعداد پروتون و نوترون زوج است (،،،)، مینیمم‌ها برای هسته‌هایی با تعداد فرد پروتون و نوترون مشخص است (،،،).

اگر هسته کمترین انرژی ممکن را داشته باشد، آنگاه واقع شده است V حالت انرژی پایه . اگر هسته انرژی داشته باشد، آنگاه واقع شده است V حالت انرژی برانگیخته . مورد مربوط به تقسیم یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. بر خلاف سطوح انرژی یک اتم که با واحدهای الکترون ولت از هم فاصله دارند، سطوح انرژی یک هسته با مگا الکترون ولت (MeV) از هم فاصله دارند. این منشاء و خواص پرتو گاما را توضیح می دهد.

داده‌های مربوط به انرژی اتصال هسته‌ها و استفاده از مدل قطره‌ای هسته، ایجاد برخی نظم‌ها در ساختار هسته‌های اتمی را ممکن کرد.

معیار پایداری هسته اتمنسبت بین تعداد پروتون و نوترون است در یک هسته پایداربرای داده های ایزوبار (). شرط حداقل انرژی هسته ای منجر به رابطه زیر می شود زدهان و آ:

.

(9.2.6)

یک عدد صحیح بگیرید زنزدیک ترین دهان به دهانی که با این فرمول به دست می آید.

در مقادیر کوچک و متوسط آتعداد نوترون ها و پروتون ها در هسته های پایدار تقریباً یکسان است: ز ≈ آ – ز.

با رشد زنیروهای دافعه کولن پروتون ها به نسبت افزایش می یابد ز·( ز – 1) ~ ز 2 (برهمکنش جفت پروتونو برای جبران این دافعه توسط جاذبه هسته ای، تعداد نوترون ها باید سریعتر از تعداد پروتون ها افزایش یابد.

برای مشاهده دموها، روی لینک مربوطه کلیک کنید: