MeV'de bağlanma enerjisi nasıl bulunur? Nükleer bağlanma enerjisi. Kütle kusuru. Bir çekirdeğe kaç nükleon sığar

Kesinlikle herhangi bir kimyasal madde belirli bir dizi proton ve nötrondan oluşur. Atom çekirdeğinin bağlanma enerjisinin parçacığın içinde mevcut olması nedeniyle bir arada tutulurlar.

Nükleer çekici kuvvetlerin karakteristik bir özelliği, nispeten küçük mesafelerde (yaklaşık 10-13 cm arası) çok yüksek güçleridir. Parçacıklar arasındaki mesafe arttıkça atomun içindeki çekim kuvvetleri zayıflar.

Çekirdeğin içindeki bağlanma enerjisi hakkında akıl yürütme

Eğer protonları ve nötronları atom çekirdeğinden sırasıyla ayırıp atom çekirdeğinin bağlanma enerjisinin etkisini kaybedecek kadar uzağa yerleştirmenin bir yolu olduğunu düşünürsek, bu çok zor bir iş olsa gerek. Bileşenlerini bir atomun çekirdeğinden çıkarmak için atom içi kuvvetlerin üstesinden gelmeye çalışılmalıdır. Bu çabalar atomun içerdiği nükleonlara bölünmesine yönelik olacaktır. Bu nedenle atom çekirdeğinin enerjisinin, onu oluşturan parçacıkların enerjisinden daha az olduğu yargısına varabiliriz.

Atom içi parçacıkların kütlesi atomun kütlesine eşit midir?

Zaten 1919'da araştırmacılar atom çekirdeğinin kütlesini ölçmeyi öğrendiler. Çoğu zaman kütle spektrometresi adı verilen özel teknik aletler kullanılarak "tartılır". Bu tür cihazların çalışma prensibi, farklı kütlelere sahip parçacıkların hareket özelliklerinin karşılaştırılmasıdır. Üstelik bu tür parçacıklar aynı elektrik yüklerine sahiptir. Hesaplamalar, farklı kütlelere sahip parçacıkların farklı yörüngelerde hareket ettiğini gösteriyor.

Modern bilim adamları, tüm çekirdeklerin kütlelerinin yanı sıra onları oluşturan proton ve nötronları da büyük bir doğrulukla belirlediler. Belirli bir çekirdeğin kütlesini, içerdiği parçacıkların kütlelerinin toplamı ile karşılaştırırsak, her durumda çekirdeğin kütlesinin, tek tek protonların ve nötronların kütlesinden daha büyük olacağı ortaya çıkar. Bu fark herhangi bir kimyasal için yaklaşık %1 olacaktır. Dolayısıyla bir atom çekirdeğinin bağlanma enerjisinin dinlenme enerjisinin %1'i olduğu sonucuna varabiliriz.

Çekirdek içi kuvvetlerin özellikleri

Çekirdeğin içindeki nötronlar Coulomb kuvvetleri tarafından birbirlerinden itilir. Ama atom parçalanmıyor. Bu, bir atomdaki parçacıklar arasında çekici bir kuvvetin varlığıyla kolaylaştırılır. Elektriksel olmayan nitelikteki bu tür kuvvetlere nükleer denir. Nötronlarla protonların etkileşimine ise güçlü etkileşim denir.

Kısaca nükleer kuvvetlerin özellikleri aşağıdaki gibidir:

• bu, ücret bağımsızlığıdır;
• yalnızca kısa mesafelerde eylem;
• ve yalnızca belirli sayıda nükleonun birbirine yakın tutulmasını ifade eden doygunluk.

Enerjinin korunumu yasasına göre nükleer parçacıklar birleştiğinde radyasyon şeklinde enerji açığa çıkar.

Atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi: formül

Yukarıdaki hesaplamalar için genel kabul görmüş formül kullanılır:

Avustralya, Brezilya ve Kuzey Amerika ülkelerinin kullandığı saat uygulaması=(Z·m p +(A-Z)·m n -MBEN)·c²

Burada altında Avustralya, Brezilya ve Kuzey Amerika ülkelerinin kullandığı saat uygulamasıçekirdeğin bağlanma enerjisini ifade eder; İle- ışık hızı; Z-proton sayısı; (A'dan Z'ye) - nötron sayısı; m p bir protonun kütlesini belirtir; A m n- nötron kütlesi. ben atom çekirdeğinin kütlesini ifade eder.

Çeşitli maddelerin çekirdeklerinin iç enerjisi

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisini belirlemek için aynı formül kullanılır. Formülle hesaplanan bağlanma enerjisi, daha önce belirtildiği gibi, atomun toplam enerjisinin veya dinlenme enerjisinin %1'inden fazla değildir. Ancak daha yakından incelendiğinde, maddeden maddeye geçerken bu sayının oldukça güçlü bir şekilde dalgalandığı ortaya çıkıyor. Kesin değerlerini belirlemeye çalışırsanız, özellikle hafif çekirdekler için farklılık gösterecektir.

Örneğin hidrojen atomunun bağlanma enerjisi tek proton içerdiği için sıfırdır, helyum çekirdeğinin bağlanma enerjisi ise %0,74 olacaktır. Trityum adı verilen bir maddenin çekirdeği için bu sayı %0,27 olacaktır. Oksijenin %0,85'i vardır. Yaklaşık altmış nükleon içeren çekirdeklerde atom içi bağ enerjisi yaklaşık %0,92 olacaktır. Daha büyük kütleli atom çekirdekleri için bu sayı giderek %0,78'e düşecektir.

Helyum, trityum, oksijen veya başka herhangi bir maddenin çekirdeğinin bağlanma enerjisini belirlemek için aynı formül kullanılır.

Proton ve Nötron Çeşitleri

Bu farklılıkların temel nedenleri açıklanabilir. Bilim adamları, çekirdeğin içindeki tüm nükleonların iki kategoriye ayrıldığını bulmuşlardır: yüzey ve iç. İç nükleonlar, kendilerini her taraftan diğer protonlar ve nötronlarla çevrelenmiş bulanlardır. Yüzeysel olanlar sadece içeriden onlarla çevrilidir.

Bir atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi, iç nükleonlarda daha belirgin olan bir kuvvettir. Bu arada, çeşitli sıvıların yüzey geriliminde de benzer bir şey oluyor.

Bir çekirdeğe kaç nükleon sığar

Hafif çekirdekler olarak adlandırılan iç nükleonların sayısının özellikle küçük olduğu bulunmuştur. Ve en hafif kategoriye ait olanlar için neredeyse tüm nükleonlar yüzey nükleonları olarak kabul edilir. Bir atom çekirdeğinin bağlanma enerjisinin, proton ve nötron sayısı arttıkça artması gereken bir miktar olduğuna inanılmaktadır. Ancak bu büyüme bile sonsuza kadar devam edemez. Belirli sayıda nükleonla - ve bu 50'den 60'a kadar - başka bir kuvvet devreye giriyor - elektriksel itme. Çekirdeğin içindeki bağlanma enerjisinin varlığından bağımsız olarak bile meydana gelir.

Atom çekirdeğinin çeşitli maddelerdeki bağlanma enerjisi, bilim adamları tarafından nükleer enerjiyi serbest bırakmak için kullanılır.

Pek çok bilim adamı her zaman şu soruyla ilgilenmiştir: Daha hafif çekirdekler daha ağır çekirdeklerle birleştiğinde enerji nereden gelir? Aslında bu durum atomun parçalanmasına benzer. Hafif çekirdeklerin füzyonu sürecinde, ağır çekirdeklerin bölünmesi sırasında olduğu gibi, her zaman daha dayanıklı tipte çekirdekler oluşur. İçlerindeki tüm nükleonları hafif çekirdeklerden “elde etmek” için, birleştiklerinde açığa çıkan enerjiden daha az enerji harcamak gerekir. Bunun tersi de doğrudur. Aslında belirli bir kütle birimine düşen füzyon enerjisi, fisyonun spesifik enerjisinden daha büyük olabilir.

Nükleer fisyon süreçlerini inceleyen bilim adamları

Süreç 1938'de bilim adamları Hahn ve Strassman tarafından keşfedildi. Berlin Kimya Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, uranyumun diğer nötronlarla bombardıman edilmesi sürecinde periyodik tablonun ortasında yer alan daha hafif elementlere dönüştüğünü keşfettiler.

Hahn'ın kendisini radyoaktivite üzerine birlikte çalışmaya davet ettiği Lise Meitner de bu bilgi alanının gelişimine önemli katkılarda bulundu. Hahn, Meitner'in yalnızca araştırmasını bodrumda yapması ve asla üst katlara çıkmaması şartıyla çalışmasına izin verdi ki bu da bir ayrımcılık gerçeğiydi. Ancak bu onun atom çekirdeği araştırmalarında önemli bir başarı elde etmesini engellemedi.

Bağlanma enerjisi kimyada önemli bir kavramdır. İki gaz atomu arasındaki kovalent bağı kırmak için gereken enerji miktarını belirler. Bu kavram iyonik bağlara uygulanamaz. İki atom bir molekül oluşturmak üzere birleştiğinde, aralarındaki bağın ne kadar güçlü olduğunu belirleyebilirsiniz; yalnızca bu bağı kırmak için harcanması gereken enerjiyi bulun. Tek bir atomun bağlanma enerjisi olmadığını unutmayın; bu enerji, bir moleküldeki iki atom arasındaki bağın gücünü karakterize eder. Herhangi bir kimyasal reaksiyonun bağlanma enerjisini hesaplamak için, kırılan bağların toplam sayısını belirleyin ve oluşan bağların sayısını çıkarın.

Adımlar

Bölüm 1

Bağlanma enerjisini hesaplamak için bir denklem yazın. Tanım gereği bağlanma enerjisi, kırılan bağların toplamından oluşan bağların toplamı çıkarılarak elde edilir: ΔH = ∑H (kırık bağlar) - ∑H (oluşmuş bağlar). ΔH, bağlanma entalpisi olarak da adlandırılan bağlanma enerjisindeki değişimi belirtir ve ∑H, kimyasal reaksiyon denkleminin her iki tarafı için bağlanma enerjilerinin toplamına karşılık gelir.

Kimyasal denklemi yazın ve bireysel elementler arasındaki tüm bağlantıları belirtin. Bir reaksiyon denklemi kimyasal semboller ve sayılar şeklinde verilmişse, onu yeniden yazmak ve atomlar arasındaki tüm bağları belirtmek faydalıdır. Bu görsel notasyon, belirli bir reaksiyon sırasında kırılan ve oluşan bağları kolayca saymanızı sağlayacaktır.

Kırılmış ve oluşmuş bağları sayma kurallarını öğrenin.Çoğu durumda hesaplamalarda ortalama bağlanma enerjileri kullanılır. Aynı bağ, belirli moleküle bağlı olarak biraz farklı enerjilere sahip olabilir, bu nedenle genellikle ortalama bağ enerjileri kullanılır. .

• Tekli, ikili ve üçlü kimyasal bağların kopması tek bir bağın kırılması olarak kabul edilir. Bu bağların enerjileri farklı olmasına rağmen her durumda bir bağın kopmuş olduğu kabul edilir.
• Aynı durum tek, çift veya üçlü bağ oluşumu için de geçerlidir. Bu tür her durum, yeni bir bağlantının oluşumu olarak kabul edilir.
• Örneğimizde tüm tahviller tektir.

1. Denklemin sol tarafında hangi bağların kırıldığını belirleyin. Kimyasal denklemin sol tarafı reaktanları içerir ve reaksiyon sonucunda kırılan tüm bağları temsil eder. Bu endotermik bir süreçtir, yani kimyasal bağları kırmak için belirli bir enerjinin harcanması gerektiği anlamına gelir.

   • Örneğimizde reaksiyon denkleminin sol tarafında bir H-H bağı ve bir Br-Br bağı bulunmaktadır.

2. Denklemin sağ tarafında oluşan bağların sayısını sayın. Reaksiyon ürünleri sağda gösterilmiştir. Denklemin bu kısmı, kimyasal reaksiyonun sonucu olarak oluşan tüm bağları temsil eder. Bu ekzotermik bir süreçtir ve enerji açığa çıkar (genellikle ısı şeklinde).

   • Örneğimizde denklemin sağ tarafında iki H-Br bağı bulunmaktadır.

   Bölüm 2

   Bağlanma enerjisini hesaplayın

   1. Gerekli bağlanma enerjisi değerlerini bulun.Çok çeşitli bileşikler için bağlanma enerjisi değerlerini veren birçok tablo vardır. Bu tür tablolar internette veya kimya referans kitabında bulunabilir. Bağlanma enerjilerinin her zaman gaz halindeki moleküller için verildiği unutulmamalıdır.

   2. Bağ enerjisi değerlerini kırılan bağ sayısıyla çarpın. Bir dizi reaksiyonda bir bağ birkaç kez kırılabilir. Örneğin, bir molekül 4 hidrojen atomundan oluşuyorsa, hidrojenin bağlanma enerjisi 4 kez, yani 4 ile çarpılarak dikkate alınmalıdır.

      • Örneğimizde her molekülün bir bağı vardır, dolayısıyla bağ enerjisi değerleri basitçe 1 ile çarpılır.
      • H-H = 436 x 1 = 436 kJ/mol
      • Br-Br = 193 x 1 = 193 kJ/mol

   3. Kırılan bağların tüm enerjilerini toplayın. Bağ enerjilerini denklemin sol tarafındaki karşılık gelen bağ sayısıyla çarptığınızda toplamı bulmanız gerekir.

      • Örneğimiz için kırılan bağların toplam enerjisini bulalım: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 kJ/mol.

Çekirdeklerdeki nükleonlar serbest hallerinden önemli ölçüde farklı hallerdedir. Sıradan hidrojenin çekirdeği hariç, tüm çekirdeklerde aralarında özel bir bağ bulunan en az iki nükleon vardır nükleer güçlü kuvvet - benzer yüklü protonların itilmesine rağmen çekirdeğin stabilitesini sağlayan çekim.

· Nükleon bağlanma enerjisiÇekirdekteki fiziksel miktar, bir nükleonu ona kinetik enerji vermeden çekirdekten çıkarmak için yapılması gereken işe eşit bir fiziksel miktardır.

· Nükleer bağlanma enerjisi iş miktarına göre belirlenir,yapılması gereken,bir çekirdeği, onlara kinetik enerji vermeden kendisini oluşturan nükleonlara bölmek.

Enerjinin korunumu yasasından, bir çekirdeğin oluşumu sırasında, çekirdeğin kendisini oluşturan nükleonlara bölünmesi sırasında harcanması gereken enerjinin serbest bırakılması gerektiği sonucu çıkar. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeği oluşturan tüm serbest nükleonların enerjisi ile çekirdekteki enerjileri arasındaki farktır.

Bir çekirdek oluştuğunda kütlesi azalır: Çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından daha azdır. Oluşumu sırasında çekirdeğin kütlesindeki azalma, bağlanma enerjisinin salınmasıyla açıklanır. Eğer W sv, bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerji miktarıdır, ardından karşılık gelen kütle

isminde kütle kusuru ve kendisini oluşturan nükleonlardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında toplam kütledeki azalmayı karakterize eder.

Çekirdeğin kütlesi varsa M zehir oluşur Z kütleli protonlar m p ve itibaren ( A – Z) kütleli nötronlar m n, O:

Çekirdek kütlesi yerine M zehir değeri ∆ M atom kütlesi cinsinden ifade edilebilir Mşurada:

Nerede MN– bir hidrojen atomunun kütlesi. Pratik hesaplamalarda ∆ M Tüm parçacıkların ve atomların kütleleri şu şekilde ifade edilir: atomik kütle birimleri (a.e.m.). Bir atom kütle birimi, bir atom enerji birimine (a.u.e.) karşılık gelir: 1 a.u.e. = 931.5016 MeV.

Kütle kusuru, çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir ölçüsü olarak hizmet eder:

Spesifik nükleer bağlanma enerjisi ω St bağlanma enerjisi denir,nükleon başına:

ωb'nin değeri ortalama 8 MeV/nükleondur. İncirde. Şekil 9.2 spesifik bağlanma enerjisinin kütle numarasına bağımlılığını göstermektedir A farklı kimyasal elementlerin çekirdeklerindeki nükleon bağlarının farklı güçlerini karakterize eden. Periyodik tablonun orta kısmındaki elementlerin çekirdekleri (), yani. - arası, en dayanıklısı.

Bu çekirdeklerde ωb 8,7 MeV/nükleona yakındır. Çekirdekteki nükleon sayısı arttıkça spesifik bağlanma enerjisi azalır. Periyodik tablonun sonunda yer alan kimyasal elementlerin atomlarının çekirdekleri (örneğin, uranyum çekirdeği) ω ışığa ≈ 7,6 MeV/nükleon'a sahiptir. Bu, ağır çekirdeklerin bölünmesi sırasında enerji açığa çıkma olasılığını açıklamaktadır. Kütle sayılarının küçük olduğu bölgelerde spesifik bağlanma enerjisinin keskin “tepe noktaları” vardır. Maksimumlar çift sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler için tipiktir ( , , ), minimumlar ise tek sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler için karakteristiktir ( , , ).

Eğer çekirdek mümkün olan en düşük enerjiye sahipse, o zaman bulunur. V temel enerji durumu . Çekirdeğin enerjisi varsa, o zaman bulunur V heyecanlı enerji durumu . Bu durum, bir çekirdeğin kendisini oluşturan nükleonlara bölünmesine karşılık gelir. Bir atomun enerji düzeyleri arasında elektronvolt birimleri kadar aralıklar bulunurken, çekirdeğin enerji düzeyleri arasında megaelektronvolt (MeV) kadar aralık bulunur. Bu, gama radyasyonunun kökenini ve özelliklerini açıklar.

Çekirdeklerin bağlanma enerjisine ilişkin veriler ve çekirdeğin damlacık modelinin kullanılması, atom çekirdeğinin yapısında bazı düzenlilikler oluşturmayı mümkün kılmıştır.

Atom çekirdeğinin stabilitesi için kriter proton ve nötron sayısı arasındaki orandır istikrarlı bir çekirdekte izobar verileri için (). Minimum nükleer enerji koşulu aşağıdaki ilişkiye yol açar: Z ağız ve A:

.

(9.2.6)

Bir tamsayı al Z bu formülle elde edilene en yakın ağız.

Küçük ve orta değerlerde A Kararlı çekirdeklerdeki nötron ve proton sayıları yaklaşık olarak aynıdır: Z ≈ A – Z.

Büyüme ile Z Protonların Coulomb itme kuvvetleri orantılı olarak artar Z·( Z – 1) ~ Z 2 (proton çifti etkileşimi) ve bu itmeyi nükleer çekimle telafi etmek için nötron sayısının proton sayısından daha hızlı artması gerekir.

Demoları görüntülemek için uygun köprüye tıklayın: