Дефект массы

Внутриядерные силы и дефект массы

Как мы уже обсуждали, протоны, положительно заряженные частицы, сосредоточены в очень маленьком объеме – в ядре атома. Одноименно заряженные частицы отталкиваются. Почему же ядро не разрушается? На это имеются две взаимосвязанных причины.

1. В составе ядра кроме положительно заряженных протонов имеются нейтроны – частицы, не имеющие заряда. Они располагаются между протонами и ослабляют их взаимное отталкивание. 2.Простое наличие нейтронов не спасло бы ядро от разрушения. Главной причиной его стабильности является наличие между протонами и нейтронами внутриядерных сил. Эти силы по величине существенно превосходят силы электростатического отталкивания. Они-то и позволяют удерживать вместе значительное количество протонов, то есть, придают ядру стабильность.

Дефект массы

Наличие сильных внутриядерных взаимодействий приводит к такому интересному явлению, как дефект массы. Это разность между суммой масс протонов и нейтронов, составляющих данное ядро, и массой этого ядра. Другими словами, масса ядра в целом всегда меньше суммарной массы его нуклонов.

Проанализируем эту ситуацию для одного из самых легких атомов - для гелия.

Масса ядра гелия равна 4,001506 а.е.м.

Масса протона равна 1,007277 а.е.м.

Масса нейтрона равна 1,008665 а.е.м.

Суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, составляющих ядро гелия, - 4,031884 а.е.м.

Как видно из расчетов, масса ядра меньше суммарной массы составляющих его нуклонов на величину, которая и называется дефект массы. В нашем случае это 0,030376 а.е.м.

Такое странное на первый взгляд явление становится понятным, если вспомнить уравнение Эйнштейна, связывающее энергию и массу:

E = mc², откуда следует, что ∆m = ∆E/c²

При образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется значительная энергия, которая и уносит с собой массу в соответствии с приведенным отношением энергии взаимодействия к скорости света в квадрате. Мы не замечаем такого эффекта при химических взаимодействиях, так как энергия химических связей намного меньше энергии внутриядерных взаимодействий. Действительно, для ядра гелия с учетом его ∆m E = 28,2 Мэв, что соответствует 7Мэв на один нуклон. А энергия химической связи имеет величины не более 10 эв, то есть, в миллион раз меньше.

Итак, проведенные для ядра гелия расчеты показали энергию внутриядерного взаимодействия 7 Мэв на нуклон. Оказалось, что эта величина не является постоянной, она зависит от количества нуклонов в ядре атома. Причем, эта зависимость немонотонна. Величина внутриядерной энергии (а, следовательно, и дефект массы) возрастает при увеличении массового числа атома примерно до 60, а для более тяжелых элементов дефект массы постепенно уменьшается.

Непостоянство дефекта массы привело к интересному факту, который на первый взгляд выглядит как парадокс. Посмотрите в таблицу Менделеева, и вы обнаружите, что средняя атомная масса элемента кислорода равна 15,9994. Тогда как природный изотопный состав этого элемента следующий: ¹⁶О -99,76%; ¹⁷О – 0,048%; ¹⁸О – 0,20%. Получается, что все изотопы кислорода тяжелее 16, а средняя масса, пусть немного, но меньше 16.

Причина наблюдаемого явления в следующем. Массы изотопов измеряются в атомных единицах массы (а.е.м.), которые определены как 1/12 часть массы нуклида ¹²С, для которого имеется свой собственный дефект массы на один нуклон. Все изотопы кислорода имеют массы больше, чем у ¹²С, но меньше 60, следовательно, дефект массы (то есть, ее уменьшение при образовании ядра) для них больше, и реальная масса несколько меньше, чем сумма протонов и нейтронов, которую отражает массовое число (16, 17 и 18 для кислорода).

Обратимся еще раз к Периодической системе. Вы видите, что практически все атомные массы элементов имеют нецелочисленные значения. Причин этому три:

1.Большинство элементов состоит из смеси изотопов.

2. Массы протона и нейтрона немного различаются. Их соотношение в ядрах атомов элементов не всегда равно таковому для эталонного нуклида (¹²С).

3. Дефект массы в пересчете на один нуклон не является постоянной величиной, а при вычислении массы атома в а.е.м. учитывается только величина дефекта массы углерода – 12.

Дата добавления: 2015-07-14