Sitoutumisenergia on tärkeä käsite kemiassa. Se määrittää energiamäärän, joka tarvitaan kahden kaasuatomin välisen kovalenttisen sidoksen katkaisemiseen. Tätä käsitettä ei voida soveltaa ionisidoksiin. Kun kaksi atomia yhdistyvät muodostaen molekyylin, voit määrittää, kuinka vahva sidos niiden välillä on - etsi vain energia, joka on kulutettava tämän sidoksen katkaisemiseen. Muista, että yhdellä atomilla ei ole sitomisenergiaa; tämä energia kuvaa molekyylin kahden atomin välisen sidoksen vahvuutta. Jos haluat laskea minkä tahansa kemiallisen reaktion sitoutumisenergian, määritä yksinkertaisesti katkenneiden sidosten kokonaismäärä ja vähennä siitä muodostuneiden sidosten määrä.

Askeleet

Osa 1

Kirjoita yhtälö sitoutumisenergian laskemiseksi. Määritelmän mukaan sitoutumisenergia on katkenneiden sidosten summa miinus muodostuneiden sidosten summa: ΔH = ∑H (katkoutuneet sidokset) - ∑H (muodostuneet sidokset). ΔH tarkoittaa muutosta sitoutumisenergiassa, jota kutsutaan myös sitoutumisentalpiaksi, ja ∑H vastaa sitoutumisenergioiden summaa kemiallisen reaktioyhtälön molemmilla puolilla.

Kirjoita muistiin kemiallinen yhtälö ja osoita kaikki yksittäisten elementtien väliset yhteydet. Jos reaktioyhtälö annetaan kemiallisten symbolien ja numeroiden muodossa, on hyödyllistä kirjoittaa se uudelleen ja osoittaa kaikki atomien väliset sidokset. Tämän visuaalisen merkinnän avulla voit helposti laskea tietyn reaktion aikana katkenneet ja muodostuneet sidokset.

Opi rikkoutuneiden ja muodostuneiden joukkovelkakirjojen laskemisen säännöt. Useimmissa tapauksissa laskelmissa käytetään keskimääräisiä sitoutumisenergioita. Samalla sidoksella voi olla hieman erilaiset energiat tietystä molekyylistä riippuen, joten yleensä käytetään keskimääräisiä sidosenergioita. .

• Yksittäisten, kaksois- ja kolmoissidosten katkeamista pidetään yhtenä katkenneena sidoksena. Vaikka näillä sidoksilla on eri energiat, jokaisessa tapauksessa yhden sidoksen katsotaan katkenneeksi.
• Sama koskee yksinkertaisen, kaksois- tai kolmoissidoksen muodostumista. Jokainen tällainen tapaus katsotaan yhden uuden yhteyden muodostukseksi.
• Esimerkissämme kaikki joukkovelkakirjat ovat yksittäisiä.

1. Määritä, mitkä sidokset ovat katkenneet yhtälön vasemmalla puolella. Kemiallisen yhtälön vasen puoli sisältää reagoivat aineet ja edustaa kaikkia sidoksia, jotka katkeavat reaktion seurauksena. Tämä on endoterminen prosessi, mikä tarkoittaa, että tiettyä energiaa on käytettävä kemiallisten sidosten katkaisemiseen.

   • Esimerkissämme reaktioyhtälön vasen puoli sisältää yhden H-H-sidoksen ja yhden Br-Br-sidoksen.

2. Laske yhtälön oikealle puolelle muodostuneiden sidosten lukumäärä. Reaktiotuotteet on merkitty oikealla. Tämä yhtälön osa edustaa kaikkia sidoksia, jotka muodostuvat kemiallisen reaktion seurauksena. Tämä on eksoterminen prosessi ja vapauttaa energiaa (yleensä lämmön muodossa).

   • Esimerkissämme yhtälön oikea puoli sisältää kaksi H-Br-sidosta.

   Osa 2

   Laske sidosenergia

   1. Etsi tarvittavat sitomisenergia-arvot. On monia taulukoita, jotka antavat sitoutumisenergia-arvot monenlaisille yhdisteille. Tällaisia ​​taulukoita löytyy Internetistä tai kemian viitekirjasta. On muistettava, että sitomisenergiat annetaan aina kaasumaisessa tilassa oleville molekyyleille.

   2. Kerro sidoksen energia-arvot katkenneiden sidosten lukumäärällä. Useissa reaktioissa yksi sidos voi katketa ​​useita kertoja. Esimerkiksi, jos molekyyli koostuu 4 vetyatomista, vedyn sitoutumisenergia tulee ottaa huomioon 4 kertaa eli kerrottuna 4:llä.

      • Esimerkissämme jokaisessa molekyylissä on yksi sidos, joten sidoksen energia-arvot kerrotaan yksinkertaisesti yhdellä.
      • H-H = 436 x 1 = 436 kJ/mol
      • Br-Br = 193 x 1 = 193 kJ/mol

   3. Laske yhteen kaikki katkenneiden sidosten energiat. Kun kerrot sidosenergiat vastaavalla määrällä yhtälön vasemmalla puolella olevia sidoksia, sinun on löydettävä kokonaissumma.

      • Etsitään katkenneiden sidosten kokonaisenergia esimerkkiämme varten: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 kJ/mol.

Ehdottomasti mikä tahansa kemiallinen aine koostuu tietystä protoneista ja neutroneista. Ne pysyvät yhdessä johtuen siitä, että atomiytimen sitoutumisenergia on läsnä hiukkasen sisällä.

Ydinvoiman vetovoiman tyypillinen piirre on niiden erittäin suuri teho suhteellisen pienillä etäisyyksillä (noin 10-13 cm). Kun hiukkasten välinen etäisyys kasvaa, atomin sisällä olevat vetovoimat heikkenevät.

Päättely energian sitomisesta ytimen sisällä

Jos kuvittelemme, että on olemassa tapa erottaa protonit ja neutronit atomin ytimestä vuorotellen ja sijoittaa ne sellaiselle etäisyydelle, että atomiytimen sitoutumisenergia lakkaa toimimasta, tämän täytyy olla erittäin kovaa työtä. Jotta sen komponentit voidaan erottaa atomin ytimestä, on yritettävä voittaa atomin sisäiset voimat. Näillä ponnisteluilla atomi jaetaan sen sisältämiin nukleoneihin. Siksi voimme päätellä, että atomiytimen energia on pienempi kuin niiden hiukkasten energia, joista se koostuu.

Onko atomien sisäisten hiukkasten massa yhtä suuri kuin atomin massa?

Jo vuonna 1919 tutkijat oppivat mittaamaan atomiytimen massan. Useimmiten se "punnitaan" käyttämällä erityisiä teknisiä laitteita, joita kutsutaan massaspektrometreiksi. Tällaisten laitteiden toimintaperiaate on, että verrataan eri massaisten hiukkasten liikkeen ominaisuuksia. Lisäksi tällaisilla hiukkasilla on samat sähkövaraukset. Laskelmat osoittavat, että hiukkaset, joilla on eri massat, liikkuvat eri reittiä pitkin.

Nykyajan tutkijat ovat määrittäneet suurella tarkkuudella kaikkien ytimien massat sekä niiden protonit ja neutronit. Jos vertaamme tietyn ytimen massaa sen sisältämien hiukkasten massojen summaan, käy ilmi, että kussakin tapauksessa ytimen massa on suurempi kuin yksittäisten protonien ja neutronien massa. Tämä ero on noin 1 % mille tahansa kemikaalille. Tästä syystä voimme päätellä, että atomiytimen sitoutumisenergia on 1 % sen lepoenergiasta.

Ydinsisäisten voimien ominaisuudet

Ytimen sisällä olevat neutronit hylkivät toisistaan ​​Coulombin voimat. Mutta atomi ei hajoa. Tätä helpottaa houkuttelevan voiman läsnäolo atomin hiukkasten välillä. Tällaisia ​​voimia, jotka ovat luonteeltaan muuta kuin sähköisiä, kutsutaan ydinvoimaksi. Ja neutronien ja protonien vuorovaikutusta kutsutaan vahvaksi vuorovaikutukseksi.

Lyhyesti sanottuna ydinvoimien ominaisuudet ovat seuraavat:

• tämä on maksuriippumattomuutta;
• toiminta vain lyhyillä etäisyyksillä;
• sekä saturaatio, joka viittaa vain tietyn määrän nukleoneja pysymiseen lähellä toisiaan.

Energian säilymislain mukaan ydinhiukkasten yhdistyessä energiaa vapautuu säteilyn muodossa.

Atomiytimien sitoutumisenergia: kaava

Yllä oleviin laskelmiin käytetään yleisesti hyväksyttyä kaavaa:

E St=(Z·m p +(A-Z)·m n-Mminä)·c²

Täällä alla E St viittaa ytimen sitoutumisenergiaan; Kanssa- valonnopeus; Z- protonien lukumäärä; (A-Z) - neutronien lukumäärä; m p tarkoittaa protonin massaa; A m n-neutronimassa. M i tarkoittaa atomin ytimen massaa.

Erilaisten aineiden ytimien sisäinen energia

Ytimen sitoutumisenergian määrittämiseen käytetään samaa kaavaa. Kaavalla laskettu sitoutumisenergia, kuten aiemmin todettiin, on enintään 1 % atomin kokonaisenergiasta tai lepoenergiasta. Tarkemmin tarkasteltuna kuitenkin käy ilmi, että tämä luku vaihtelee aineesta toiseen siirryttäessä melko voimakkaasti. Jos yrität määrittää sen tarkat arvot, ne eroavat erityisesti niin sanottujen kevyiden ytimien osalta.

Esimerkiksi vetyatomin sitoutumisenergia on nolla, koska se sisältää vain yhden protonin.Heliumytimen sitoutumisenergia on 0,74 %. Tritiumiksi kutsutun aineen ytimien osalta tämä luku on 0,27 %. Happea on 0,85 %. Ytimessä, jossa on noin kuusikymmentä nukleonia, atominsisäinen sidosenergia on noin 0,92 %. Jos atomiytimet, joilla on suurempi massa, tämä luku pienenee asteittain 0,78 prosenttiin.

Heliumin, tritiumin, hapen tai minkä tahansa muun aineen ytimen sitoutumisenergian määrittämiseksi käytetään samaa kaavaa.

Protonien ja neutronien tyypit

Tällaisten erojen tärkeimmät syyt voidaan selittää. Tutkijat ovat havainneet, että kaikki ytimen sisällä olevat nukleonit on jaettu kahteen luokkaan: pinta- ja sisäinen. Sisänukleonit ovat niitä, joita ympäröivät muut protonit ja neutronit joka puolelta. Pinnallisia ne ympäröivät vain sisältä.

Atomiytimen sitoutumisenergia on voima, joka on voimakkaampi sisäisissä nukleoneissa. Jotain vastaavaa muuten tapahtuu eri nesteiden pintajännityksen kanssa.

Kuinka monta nukleonia mahtuu ytimeen

Todettiin, että sisäisten nukleonien määrä on erityisen pieni niin sanotuissa kevyissä ytimissä. Ja niille, jotka kuuluvat kevyimpään luokkaan, melkein kaikki nukleonit katsotaan pintanukleoneiksi. Uskotaan, että atomiytimen sitoutumisenergia on määrä, jonka pitäisi kasvaa protonien ja neutronien määrän myötä. Mutta tämäkään kasvu ei voi jatkua loputtomiin. Tietyllä määrällä nukleoneja - ja tämä on 50-60 - tulee peliin toinen voima - niiden sähköinen hylkiminen. Sitä esiintyy jopa riippumatta sitoutumisenergian läsnäolosta ytimen sisällä.

Tutkijat käyttävät eri aineissa olevan atomin ytimen sitoutumisenergiaa ydinenergian vapauttamiseen.

Monet tiedemiehet ovat aina olleet kiinnostuneita kysymyksestä: mistä energiaa tulee, kun kevyemmät ytimet sulautuvat raskaampiin ytimiin? Itse asiassa tämä tilanne on samanlainen kuin atomifissio. Kevyiden ytimien fuusioprosessissa, aivan kuten raskaiden ytimien fission aikana, muodostuu aina kestävämpiä ytimiä. Kaikkien niiden sisältämien nukleonien "saamiseksi" kevyistä ytimistä on tarpeen kuluttaa vähemmän energiaa kuin mitä vapautuu niiden yhdistyessä. Päinvastoin on myös totta. Itse asiassa fuusioenergia, joka osuu tietylle massayksikölle, voi olla suurempi kuin fission ominaisenergia.

Tutkijat, jotka tutkivat ydinfissioprosesseja

Tutkijat Hahn ja Strassman löysivät prosessin vuonna 1938. Berliinin kemian yliopistossa tutkijat havaitsivat, että pommittaessaan uraania muilla neutroneilla, se muuttuu kevyemmiksi alkuaineiksi, jotka ovat jaksollisen järjestelmän keskellä.

Myös Lise Meitner antoi merkittävän panoksen tämän osaamiskentän kehittämiseen, jolle Hahn kutsui hänet aikoinaan tutkimaan radioaktiivisuutta yhdessä. Hahn salli Meitnerin työskennellä vain sillä ehdolla, että hän teki tutkimustaan ​​kellarissa eikä koskaan menisi ylempiin kerroksiin, mikä oli syrjintää. Tämä ei kuitenkaan estänyt häntä saavuttamasta merkittävää menestystä atomiytimen tutkimuksessa.

15. Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

1. Laske isotoopin ytimen massa.

Ratkaisu. Käytetään kaavaa

.

Hapen atomimassa
= 15,9949 amu;

nuo. Lähes kaikki atomin paino on keskittynyt ytimeen.

2. Laske massavika ja ydinvoiman sitoutumisenergia 3 Li 7 .

Ratkaisu. Ytimen massa on aina pienempi kuin vapaiden (ytimen ulkopuolella sijaitsevien) protonien ja neutronien massojen summa, joista ydin muodostui. Ydinmassavika ( m) ja on vapaiden nukleonien (protonien ja neutronien) massojen summan ja ytimen massan välinen erotus, ts.

Missä Z– atomiluku (protonien lukumäärä ytimessä); A– massaluku (ytimen muodostavien nukleonien lukumäärä); m s , m n , m– vastaavasti protonin, neutronin ja ytimen massat.

Viitetaulukot antavat aina neutraalien atomien massat, mutta eivät ytimiä, joten kaava (1) kannattaa muuttaa siten, että se sisältää massan M neutraali atomi.

,

.

Ilmaisemalla ytimen massa yhtälössä (1) viimeisen kaavan mukaan saadaan

,

Sen huomaa m s +m e =M H, Missä M H– vetyatomin massa, löydämme lopulta

Korvaamalla massojen numeeriset arvot lausekkeeseen (2) (viitetaulukoiden tietojen mukaan) saadaan

Viestinnän energiaa
ydin on energia, joka vapautuu muodossa tai toisessa ytimen muodostuessa vapaista nukleoneista.

Massan ja energian suhteellisuuslain mukaisesti

(3)

Missä Kanssa– valon nopeus tyhjiössä.

Suhteellisuustekijä Kanssa 2 voidaan ilmaista kahdella tavalla: tai

Jos laskemme sitoutumisenergian käyttämällä järjestelmän ulkopuolisia yksiköitä, niin

Kun tämä otetaan huomioon, kaava (3) saa muodon

(4)

Korvaamalla aiemmin löydetyn ydinmassavirheen arvon kaavaan (4) saadaan

3. Kaksi alkuainehiukkasta - protoni ja antiprotoni, joiden massa on
Jokainen kilo yhdistettäessä muuttuu kahdeksi gamma-kvanttiksi. Kuinka paljon energiaa vapautuu tässä tapauksessa?

Ratkaisu. Gamma-kvanttienergian löytäminen Einsteinin kaavalla
, missä c on valon nopeus tyhjiössä.

4. Määritä energia, joka tarvitaan erottamaan 10 Ne 20 -ydin hiiliytimeksi 6 C 12 ja kahdeksi alfahiukkaseksi, jos tiedetään, että spesifiset sitoutumisenergiat 10 Ne 20 -ytimissä; 6 C12 ja 2 He4 ovat vastaavasti yhtä suuret: 8,03; 7,68 ja 7,07 MeV nukleonia kohti.

Ratkaisu. 10 Ne 20 -ytimen muodostumisen aikana vapaista nukleoneista vapautuisi energiaa:

W Ne = W c y · A = 8,03 20 = 160,6 MeV.

Vastaavasti 6 12 C -ytimelle ja kahdelle 2 4 He -ytimelle:

W c = 7,68 12 = 92,16 MeV,

WHe = 7,07,8 = 56,56 MeV.

Sitten, kun muodostuu 10 20 Ne kahdesta 2 4 He -ytimestä ja 6 12 C ytimestä, vapautuisi energiaa:

W = L Ne – L c – L Hän

W = 160,6 - 92,16 - 56,56 = 11,88 MeV.

Sama energia on käytettävä prosessiin, jossa 10 20 Ne-ydin jaetaan 6 12 C:ksi ja 2 2 4 H:ksi.

Vastaus. E = 11,88 MeV.

5 . Selvitä alumiiniatomin 13 Al 27 ytimen sitoutumisenergia, löydä spesifinen sitoutumisenergia.

Ratkaisu. 13 Al 27 -ydin koostuu Z=13 protonista ja

A-Z = 27-13 neutronia.

Ydinmassa on

m i = m at - Z · m e = 27/6,02 · 10 26 -13 · 9,1 · 10 -31 = 4,484 · 10 -26 kg=

27.012 amu

Sydänmassavika on yhtä suuri kuin ∆m = Z m p + (A-Z) m n - m i

Numeerinen arvo

∆m = 13 · 1,00759 + 14 × 1,00899 - 26,99010 = 0,23443 amu

Sitoutumisenergia Wst = 931,5 ∆m = 931,5 0,23443 = 218,37 MeV

Spesifinen sitoutumisenergia Wsp = 218,37/27 = 8,08 MeV/nukleoni.

Vastaus: sitoutumisenergia Wb = 218,37 MeV; spesifinen sitoutumisenergia Wsp = 8,08 MeV/nukleoni.

16. Ydinreaktiot

Ydinreaktiot ovat atomiytimien muutosprosesseja, jotka aiheutuvat niiden vuorovaikutuksesta keskenään tai alkuainehiukkasten kanssa.

Ydinreaktiota kirjoitettaessa vasemmalle kirjoitetaan alkuhiukkasten summa, jonka jälkeen sijoitetaan nuoli ja lopputuotteiden summa. Esimerkiksi,

Sama reaktio voidaan kirjoittaa lyhyemmässä symbolisessa muodossa

Kun tarkastellaan ydinreaktioita, tarkka luonnonsuojelulaki: energia, impulssi, kulmamomentti, sähkövaraus ja muut. Jos ydinreaktiossa alkuainehiukkasina esiintyvät vain neutronit, protonit ja γ-kvantit, niin myös nukleonien määrä säilyy reaktion aikana. Silloin on tarkkailtava neutronien tasapainoa ja protonien tasapainoa alku- ja lopputilassa. Reaktiota varten
saamme:

Protonien lukumäärä 3 + 1 = 0 + 4;

Neutronien lukumäärä 4 + 0 = 1 + 3.

Tämän säännön avulla voit tunnistaa yhden reaktion osallistujista, kun tiedät muut. Melko usein osallistujia ydinreaktioihin ovat α - hiukkasia (
- heliumytimet, deuteronit (
- vedyn raskaan isotoopin ytimet, jotka sisältävät protonin lisäksi yhden neutronin) ja tritoneja (
- vedyn superraskaan isotoopin ytimet, jotka sisältävät protonin lisäksi kaksi neutronia).

Alku- ja loppuhiukkasten lepoenergioiden välinen ero määrää reaktion energian. Se voi olla joko suurempi kuin nolla tai pienempi kuin nolla. Täydellisemmässä muodossa edellä käsitelty reaktio kirjoitetaan seuraavasti:

Missä K– reaktioenergia. Laskeaksesi sen ydinominaisuuksien taulukoiden avulla, vertaa eroa reaktion alkuperäisten osallistujien kokonaismassan ja reaktiotuotteiden kokonaismassan välillä. Tuloksena oleva massaero (yleensä ilmaistuna amuina) muunnetaan sitten energiayksiköiksi (1 amu vastaa 931,5 MeV).

17. Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

1. Määritä alumiini-isotooppiytimien pommituksen aikana muodostunut tuntematon alkuaine Al-hiukkasia, jos tiedetään, että yksi reaktiotuotteista on neutroni.

Ratkaisu. Kirjataan ylös ydinreaktio:

Al+ 
X+n.

Massalukujen säilymislain mukaan: 27+4 = A+1. Tästä syystä tuntemattoman elementin massaluku A = 30. Samoin maksujen säilymislain mukaan 13+2 = Z+0 Ja Z = 15.

Jaksotaulukosta huomaamme, että tämä on fosforin isotooppi R.

2. Mikä ydinreaktio on kirjoitettu yhtälöllä

?

Ratkaisu. Kemiallisen alkuaineen symbolin vieressä olevat numerot tarkoittavat: alla on tämän kemiallisen alkuaineen numero D.I. Mendelejevin taulukossa (tai tietyn hiukkasen varaus), ja yläosassa on massaluku, ts. ytimessä olevien nukleonien lukumäärä (protonit ja neutronit yhdessä). Jaksotaulukon perusteella huomaamme, että alkuaine boori B on viidennellä sijalla, helium He on toisella ja typpi N seitsemännellä. -neutroni. Tämä tarkoittaa, että reaktio voidaan lukea seuraavasti: booriatomin ydin, jonka massaluku on 11 (boori-11) sieppauksen jälkeen
- hiukkaset (yksi heliumatomin ydin) emittoi neutronin ja muuttuu typpiatomin ytimeksi, jonka massaluku on 14 (typpi-14).

3. Säteilytettäessä alumiiniytimiä – 27 kovaa – magnesiumytimiä muodostavat kvantit – 26. Mikä hiukkanen vapautuu tässä reaktiossa? Kirjoita ydinreaktion yhtälö.

Ratkaisu.

Varauksen säilymislain mukaan: 13+0=12+Z;

4. Kun tietyn kemiallisen alkuaineen ytimiä säteilytetään protoneilla, muodostuu natriumytimiä - 22 ja - hiukkasia (yksi kutakin muunnostapahtumaa kohti). Mitkä ytimet säteilytettiin? Kirjoita ydinreaktion yhtälö.

Ratkaisu. D.I. Mendelejevin jaksollisen kemiallisten alkuaineiden järjestelmän mukaan:

Varauksen säilymislain mukaan:

Massaluvun säilymislain mukaan:

5 . Kun typen isotooppia 7N 14 pommitetaan neutroneilla, saadaan hiili-isotooppi 6C 14, joka osoittautuu β-radioaktiiviseksi. Kirjoita yhtälöt molemmille reaktioille.

Ratkaisu . 7 N 14 + 0 n1 → 6 C14 + 1 H1; 6 C 14 → -1 e 0 + 7 N 14 .

6. 40 Zr 97:n stabiili hajoamistuote on 42 Mo 97. Minkä 40 Zr 97:n radioaktiivisten muunnosten seurauksena se muodostuu?

Ratkaisu. Kirjoitetaan kaksi peräkkäin tapahtuvaa β-hajoamisreaktiota:

1) 40 Zr 97 → β → 41 X 97 + -1 e 0, X ≡ 41 Nb 97 (niobi),

2) 41 Nb 97 → β → 42 Y 97 + -1 e 0, Y ≡ 42 Mo 97 (molybdeeni).

Vastaus : Kahden β-hajoamisen seurauksena zirkoniumatomista muodostuu molybdeeniatomi.

18. Ydinreaktioenergia

Ydinreaktion energia (tai reaktion lämpövaikutus)

Missä
- hiukkasmassojen summa ennen reaktiota,
- hiukkasmassojen summa reaktion jälkeen.

Jos
, reaktiota kutsutaan eksoenergeettiseksi, koska se tapahtuu energian vapautuessa. klo K

Neutronien aiheuttama ydinfissio - eksoenergeettinen reaktio , jossa neutronin vangitseva ydin jakautuu kahdeksi (joskus kolmeksi) enimmäkseen epätasaiseksi radioaktiiviseksi fragmentiksi, jotka lähettävät gamma-kvantteja ja 2-3 neutronia. Nämä neutronit, jos ympärillä on tarpeeksi halkeavaa materiaalia, voivat puolestaan ​​aiheuttaa ympäröivien ytimien fissiota. Tässä tapauksessa tapahtuu ketjureaktio, johon liittyy suuren energiamäärän vapautuminen. Energiaa vapautuu siitä syystä, että fissioituvassa ytimessä on joko hyvin pieni massavika tai jopa ylimäärä vian sijasta, mikä on syynä tällaisten ytimien epävakauteen fission suhteen.

Ytimessä - fissiotuotteessa - on huomattavasti suurempia massavirheitä, joiden seurauksena tarkasteltavassa prosessissa vapautuu energiaa.

19. Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

1. Mikä energia vastaa 1 amu?

Ratkaisu . Koska m = 1 amu = 1,66 10 -27 kg, niin

Q = 1,66-10-27 (3,10 8) 2 = 14,94-10-11 J = 931 (MeV).

2. Kirjoita termoydinreaktiolle yhtälö ja määritä sen energian saanto, jos tiedetään, että kahden deuteriumytimen fuusio tuottaa neutronin ja tuntemattoman ytimen.

Ratkaisu.

sähkövarauksen säilymislain mukaan:

1 + 1 = 0 + Z; Z = 2

massaluvun säilymislain mukaan:

2+2=1+A; A=3

energiaa vapautuu

=- 0,00352 a.m.u.

3. Kun uraaniydin fissioi - 235, hitaan neutronin sieppauksen seurauksena muodostuu fragmentteja: ksenoni - 139 ja strontium - 94. Kolme neutronia vapautuu samanaikaisesti. Etsi yhden fissiotapahtuman aikana vapautunut energia.

Ratkaisu. On selvää, että jakamisen aikana tuloksena olevien hiukkasten atomimassojen summa on pienempi kuin alkuperäisten hiukkasten massojen summa

Olettaen, että kaikki fission aikana vapautuva energia muunnetaan fragmenttien kineettiseksi energiaksi, saadaan numeroarvojen korvaamisen jälkeen:

4. Kuinka paljon energiaa vapautuu lämpöydinreaktiossa, jossa fuusioidaan 1 g heliumia deuteriumista ja tritiumista?

Ratkaisu . Deuteriumista ja tritiumista peräisin olevien heliumytimien fuusion lämpöydinreaktio etenee seuraavan yhtälön mukaisesti:

.

Määritetään massavika

m=(2,0474+3,01700)-(4,00387+1,0089)=0,01887(a.m.u.)

1 amu vastaa 931 MeV:n energiaa, joten heliumatomin fuusion aikana vapautuva energia on

Q=931.0.01887(MeV)

1 g heliumia sisältää
/A-atomit, missä on Avogadron luku; A on atomipaino.

Kokonaisenergia Q= (/A)Q; Q = 42410 9 J.

5 . Iskun jälkeen -partikkelit, joissa oli booriydin 5 B 10 tapahtui ydinreaktio, jonka seurauksena muodostui vetyatomin ydin ja tuntematon ydin. Tunnista tämä ydin ja löydä ydinreaktion energiavaikutus.

Ratkaisu. Kirjoita reaktioyhtälö:

5 V 10 + 2 Ei 4
1 N 1 + z X A

Nukleonien lukumäärän säilymislaista seuraa, että:

10 + 4 + 1 + A; A = 13

Varauksen säilymislaista seuraa, että:

5 + 2 = 1 +Z; Z = 6

Jaksollisen taulukon mukaan huomaamme, että tuntematon ydin on hiili-isotoopin 6 C 13 ydin.

Lasketaan kaavan (18.1) avulla reaktion energiavaikutus. Tässä tapauksessa:

Korvataan isotooppimassat taulukosta (3.1):

Vastaus: zXA = 6 C13; Q = 4,06 MeV.

6. Kuinka paljon lämpöä vapautuu, kun 0,01 moolia radioaktiivista isotooppia hajoaa ajassa, joka vastaa puoliintumisaikaa? Kun ydin hajoaa, vapautuu 5,5 MeV energiaa.

Ratkaisu. Radioaktiivisen hajoamisen lain mukaan:

=
.

Sitten hajonneiden ytimien lukumäärä on yhtä suuri:

.

Koska
ν 0, sitten:

.

Koska yksi vaimeneminen vapauttaa energiaa, joka on yhtä suuri kuin E 0 = 5,5 MeV = 8,8 · 10 -13 J, niin:

Q = E o N p = N A  o E o (1 -
),

Q = 6,0210 23 0,018,810 -13 (1 -
) = 1,5510 9 J

Vastaus: Q = 1,55 GJ.

20. Raskaiden ytimien fissioreaktio

Raskaat ytimet, kun ne ovat vuorovaikutuksessa neutronien kanssa, voidaan jakaa kahteen suunnilleen yhtä suureen osaan - fission palaset. Tätä reaktiota kutsutaan raskaiden ytimien fissioreaktio , Esimerkiksi

Tässä reaktiossa havaitaan neutronien lisääntymistä. Tärkein määrä on neutronien kerroin k . Se on yhtä suuri kuin minkä tahansa sukupolven neutronien kokonaismäärän suhde edellisen sukupolven neutronien kokonaismäärään, joka ne tuotti. Jos siis ensimmäisessä sukupolvessa oli N 1 neutroneja, niin niiden lukumäärä n:nnessä sukupolvessa on

N n = N 1 k n .

klo k=1 Fissioreaktio on paikallaan, ts. neutronien lukumäärä kaikissa sukupolvissa on sama - neutronien lisääntymistä ei tapahdu. Reaktorin vastaavaa tilaa kutsutaan kriittiseksi.

klo k>1 hallitsemattoman lumivyörymäisen ketjureaktion muodostuminen on mahdollista, mitä tapahtuu atomipommeissa. Ydinvoimalaitoksissa ylläpidetään hallittua reaktiota, jossa grafiitin absorboijien ansiosta neutronien määrä pidetään tietyllä vakiotasolla.

mahdollista ydinfuusioreaktiot tai lämpöydinreaktiot, kun kaksi kevyttä ydintä muodostavat yhden raskaamman ytimen. Esimerkiksi vetyisotooppien - deuteriumin ja tritiumin - ytimien synteesi ja heliumytimen muodostuminen:

Tässä tapauksessa 17.6 julkaistaan MeV energiaa, joka on noin neljä kertaa enemmän nukleonia kohti kuin ydinfissioreaktiossa. Fuusioreaktio tapahtuu vetypommien räjähdyksen aikana. Yli 40 vuoden ajan tiedemiehet ovat työskennelleet hallitun lämpöydinreaktion toteuttamiseksi, mikä antaisi ihmiskunnalle pääsyn ehtymättömään ydinenergian "varastoon".

21. Radioaktiivisen säteilyn biologiset vaikutukset

Radioaktiivisten aineiden säteily vaikuttaa erittäin voimakkaasti kaikkiin eläviin organismeihin. Jopa suhteellisen heikko säteily, joka täysin imeytyessään nostaa kehon lämpötilaa vain 0,00 1 °C, häiritsee solujen elintärkeää toimintaa.

Elävä solu on monimutkainen mekanismi, joka ei pysty jatkamaan normaalia toimintaa edes pienillä vaurioilla sen yksittäisissä osissa. Samaan aikaan heikkokin säteily voi aiheuttaa merkittäviä vaurioita soluille ja aiheuttaa vaarallisia sairauksia (säteilytauti). Korkealla säteilyintensiteetillä elävät organismit kuolevat. Säteilyn vaaraa lisää se, että se ei aiheuta kipua edes tappavilla annoksilla.

Biologisiin esineisiin vaikuttavan säteilyn mekanismia ei ole vielä tutkittu riittävästi. Mutta on selvää, että se johtuu atomien ja molekyylien ionisaatiosta ja tämä johtaa muutokseen niiden kemiallisessa aktiivisuudessa. Solujen ytimet ovat herkimpiä säteilylle, erityisesti solut, jotka jakautuvat nopeasti. Siksi säteily vaikuttaa ensinnäkin luuytimeen, mikä häiritsee verenmuodostusprosessia. Seuraavaksi tulee vaurioita ruoansulatuskanavan ja muiden elinten soluille.

atomi- Asiakirja

Danilova atomi-ydin Danilov"

Luettelemme ytimien tärkeimmät ominaisuudet, joista keskustellaan edelleen:

1. Sitova energia ja ydinmassa.
2. Ytimen koot.
3. Ytimen spin ja kulmamomentti ytimen muodostavien nukleonien.
4. Ytimen ja hiukkasten pariteetti.
5. Ytimen ja nukleonien isospin.
6. Ydinspektrit. Maa- ja viritystilojen ominaisuudet.
7. Ytimen ja nukleonien sähkömagneettiset ominaisuudet.

1. Sidontaenergiat ja ydinmassat

Stabiilien ytimien massa on pienempi kuin ytimeen sisältyvien nukleonien massojen summa; näiden arvojen välinen ero määrittää ytimen sitoutumisenergian:

Kertoimet kohdassa (1.7) valitaan ehdoista, jotta mallijakaumakäyrän ja kokeellisen datan välillä on paras yhteensopivuus. Koska tällainen menettely voidaan suorittaa eri tavoin, on olemassa useita Weizsäcker-kaavakertoimien joukkoja. Seuraavia käytetään usein kohdassa (1.7):

a 1 = 15,6 MeV, a 2 = 17,2 MeV, a 3 = 0,72 MeV, a 4 = 23,6 MeV,

Varausluvun Z arvo, jolla ytimet muuttuvat epävakaiksi spontaanin hajoamisen suhteen, on helppo arvioida.
Spontaani ytimen hajoaminen tapahtuu, kun ydinprotonien Coulombin hylkiminen alkaa hallita ydinvoimia, jotka vetävät ytimen yhteen. Arvio ydinparametreista, joilla tällainen tilanne tapahtuu, voidaan tehdä ottamalla huomioon pinnan ja Coulombin energioiden muutokset ydinmuodonmuutoksen aikana. Jos muodonmuutos johtaa suotuisampaan energiatilaan, ydin deformoituu spontaanisti, kunnes se jakautuu kahdeksi fragmentiksi. Kvantitatiivisesti tällainen arviointi voidaan suorittaa seuraavasti.
Muodonmuutoksen aikana ydin muuttuu tilavuuttaan muuttamatta ellipsoidiksi, jossa on akseleita (ks. kuva 1.2 ) :

Siten muodonmuutos muuttaa ytimen kokonaisenergiaa määrällä

On syytä korostaa kvanttijärjestelmän - ytimen - klassisen lähestymistavan seurauksena saadun tuloksen likimääräistä luonnetta.

Nukleonien ja klustereiden erotusenergiat ytimestä

Neutronin erotusenergia ytimestä on yhtä suuri kuin

E erotettu = M(A–1,Z) + m n – M(A,Z) = Δ (A–1,Z) + Δ n – Δ (A,Z).

Protonien erotusenergia

E erillinen p = M(A–1,Z–1) + M(1 H) – M(A,Z) = Δ (A–1,Z–1) + Δ (1 H) – Δ (A, Z) ).

On huomattava, että koska ydinmassojen päätiedot ovat "ylimääräisten" massojen Δ taulukoita, on kätevämpää laskea erotusenergiat näiden arvojen avulla.

E erotettu (12 C) = Δ (11 C) + Δ n – Δ (12 C) = 10,65 MeV + 8,07 MeV - 0 = 18,72 MeV.