Inti atom adalah sistem terikat kuat dari sejumlah besar nukleon.
Untuk pemecahan lengkap nukleus menjadi bagian-bagian penyusunnya dan pemindahannya pada jarak yang jauh satu sama lain, perlu untuk mengeluarkan sejumlah pekerjaan A.

Energi ikat adalah energi yang sama dengan kerja yang harus dilakukan untuk memecah inti menjadi nukleon bebas.

Ikatan E = - A

Menurut hukum kekekalan, energi ikat secara simultan sama dengan energi yang dilepaskan selama pembentukan inti dari nukleon bebas individu.

Energi ikat spesifik

Ini adalah energi ikat per nukleon.

Kecuali untuk inti yang paling ringan, energi ikat spesifik kira-kira konstan dan sama dengan 8 MeV/nukleon. Unsur dengan nomor massa 50 sampai 60 memiliki energi ikat spesifik maksimum (8,6 MeV/nukleon) Inti dari unsur-unsur ini adalah yang paling stabil.

Saat inti dibebani dengan neutron, energi ikat spesifik berkurang.
Untuk unsur-unsur di akhir tabel periodik, itu sama dengan 7,6 MeV/nukleon (misalnya, untuk uranium).

Pelepasan energi sebagai akibat dari fisi atau fusi nuklir

Untuk membelah inti, perlu mengeluarkan sejumlah energi untuk mengatasi gaya nuklir.
Untuk mensintesis nukleus dari partikel individu, perlu untuk mengatasi gaya tolak Coulomb (untuk ini, energi harus dikeluarkan untuk mempercepat partikel-partikel ini ke kecepatan tinggi).
Artinya, untuk melakukan pemecahan inti atau peleburan inti, beberapa energi harus dikeluarkan.

Selama fusi nuklir pada jarak pendek, gaya nuklir mulai bekerja pada nukleon, yang mendorong mereka untuk bergerak dengan percepatan.
Nukleon yang dipercepat memancarkan gamma kuanta, yang memiliki energi sama dengan energi ikat.

Pada keluaran reaksi fisi nuklir atau fusi, energi dilepaskan.

Masuk akal untuk melakukan fisi nuklir atau sintesis nuklir, jika hasilnya, mis. energi yang dilepaskan akibat pemecahan atau peleburan akan lebih besar daripada energi yang dikeluarkan
Menurut grafik, perolehan energi dapat diperoleh baik dengan fisi (pembelahan) inti berat, atau dengan fusi inti ringan, yang dilakukan dalam praktik.

cacat massa

Pengukuran massa inti menunjukkan bahwa massa inti (Mn) selalu lebih kecil dari jumlah massa sisa neutron dan proton bebas yang menyusunnya.

Selama fisi nuklir: massa inti selalu lebih kecil dari jumlah massa sisa partikel bebas yang terbentuk.

Dalam sintesis nukleus: massa nukleus yang terbentuk selalu lebih kecil dari jumlah massa sisa partikel bebas yang membentuknya.

Cacat massa adalah ukuran energi ikat inti atom.

Cacat massa sama dengan perbedaan antara massa total semua nukleon inti dalam keadaan bebas dan massa inti:

di mana Mm adalah massa inti (dari buku referensi)
Z adalah jumlah proton dalam inti
mp adalah massa sisa proton gratis (dari buku pegangan)
N adalah jumlah neutron dalam inti
mn adalah massa sisa neutron bebas (dari buku pegangan)

Penurunan massa selama pembentukan inti berarti bahwa energi sistem nukleon berkurang.

Perhitungan Energi Pengikat Inti

Energi ikat inti secara numerik sama dengan kerja yang harus dikeluarkan untuk memecah nukleus menjadi nukleon individu, atau energi yang dilepaskan selama sintesis nukleus dari nukleon.
Ukuran energi ikat nuklir adalah cacat massa.

Rumus untuk menghitung energi ikat inti adalah rumus Einstein:
jika ada beberapa sistem partikel yang memiliki massa, maka perubahan energi sistem ini menyebabkan perubahan massanya.

Di sini, energi ikat inti dinyatakan sebagai produk cacat massa dan kuadrat kecepatan cahaya.

Dalam fisika nuklir, massa partikel dinyatakan dalam satuan massa atom (a.m.u.)

dalam fisika nuklir, biasanya dinyatakan energi dalam elektronvolt (eV):

Mari kita hitung korespondensi dari 1 a.m.u. elektronvolt:

Sekarang rumus perhitungan untuk energi ikat (dalam elektronvolt) akan terlihat seperti ini:

CONTOH PERHITUNGAN ENERGI IKAT NUKLEI ATOM HELIUM (He)

>

Nukleon dalam nukleus dipegang kuat oleh gaya nuklir. Untuk menghilangkan nukleon dari nukleus, banyak pekerjaan yang harus dilakukan, yaitu, energi yang signifikan harus diberikan ke nukleus.

Energi ikat inti atom E st mencirikan intensitas interaksi nukleon dalam inti dan sama dengan energi maksimum yang harus dikeluarkan untuk membagi inti menjadi nukleon non-interaksi terpisah tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka. Setiap inti memiliki energi ikatnya sendiri. Semakin besar energi ini, semakin stabil inti atom. Pengukuran massa inti yang akurat menunjukkan bahwa massa diam inti m i selalu lebih kecil dari jumlah massa sisa proton dan neutron penyusunnya. Perbedaan massa ini disebut cacat massa:

Ini adalah bagian dari massa Dm yang hilang ketika energi ikat dilepaskan. Menerapkan hukum hubungan antara massa dan energi, kita memperoleh:

di mana m n adalah massa atom hidrogen.

Penggantian seperti itu nyaman untuk perhitungan, dan kesalahan perhitungan yang timbul dalam kasus ini tidak signifikan. Jika kita mengganti Dt dalam a.m.u. ke dalam rumus energi ikat lalu untuk Est dapat ditulis:

Informasi penting tentang sifat-sifat inti terkandung dalam ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa A.

Energi ikat spesifik E ketukan - energi ikat inti per 1 nukleon:

pada gambar. 116 menunjukkan grafik yang dihaluskan dari ketergantungan yang dibuat secara eksperimental dari ketukan E pada A.

Kurva pada gambar memiliki maksimum yang dinyatakan dengan lemah. Elemen dengan nomor massa dari 50 hingga 60 (besi dan elemen yang mendekatinya) memiliki energi ikat spesifik tertinggi. Inti dari unsur-unsur ini adalah yang paling stabil.

Dari grafik dapat dilihat bahwa reaksi pembelahan inti berat menjadi inti unsur di bagian tengah tabel D. Mendeleev, serta reaksi peleburan inti ringan (hidrogen, helium) menjadi inti yang lebih berat adalah reaksi yang menguntungkan secara energi, karena disertai dengan pembentukan inti yang lebih stabil (dengan E sp besar) dan, oleh karena itu, dilanjutkan dengan pelepasan energi (E > 0).

Karena sebagian besar inti stabil, ada interaksi nuklir (kuat) khusus antara nukleon - tarik-menarik, yang memastikan stabilitas inti, meskipun ada tolakan proton yang bermuatan serupa.

Energi ikat inti adalah kuantitas fisik yang sama dengan pekerjaan yang harus dilakukan untuk memecah inti menjadi nukleon penyusunnya tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka.

Berdasarkan hukum kekekalan energi, energi yang sama harus dilepaskan selama pembentukan nukleus, yang harus dikeluarkan dalam pemecahan nukleus menjadi nukleon-nukleon penyusunnya. Energi ikat inti adalah perbedaan antara energi semua nukleon dalam inti dan energi mereka dalam keadaan bebas.

Energi ikat nukleon dalam inti atom:

di mana, masing-masing adalah massa proton, neutron dan nukleus; adalah massa atom hidrogen; adalah massa atom zat tersebut.

Massa yang sesuai dengan energi ikat:

disebut cacat massa nuklir. Massa semua nukleon berkurang dengan jumlah ini ketika nukleus terbentuk dari mereka.

Energi ikat spesifik adalah energi ikat per nukleon: . Ini mencirikan stabilitas (kekuatan) inti atom, mis. semakin banyak, semakin kuat inti.

Ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa ditunjukkan pada gambar. Inti paling stabil dari bagian tengah tabel periodik (28<A<138). В этих ядрах составляет приблизительно 8,7 МэВ/нуклон (для сравнения, энергия связи валентных электронов в атоме порядка 10эВ, что в миллион раз меньше).

Dengan transisi ke inti yang lebih berat, energi ikat spesifik berkurang, karena dengan peningkatan jumlah proton dalam inti, energi tolakan Coulomb mereka meningkat (misalnya, untuk uranium adalah 7,6 MeV). Oleh karena itu, ikatan antar nukleon menjadi kurang kuat, inti itu sendiri menjadi kurang kuat.

Secara energi menguntungkan: 1) pembelahan inti berat menjadi inti yang lebih ringan; 2) peleburan inti ringan satu sama lain menjadi inti yang lebih berat. Kedua proses melepaskan sejumlah besar energi; proses ini saat ini diimplementasikan secara praktis; reaksi fisi nuklir dan reaksi fusi nuklir.

Seperti yang telah dicatat (lihat 138), nukleon terikat kuat dalam inti atom oleh gaya nuklir. Untuk memutuskan hubungan ini, yaitu, untuk benar-benar memisahkan nukleon, perlu mengeluarkan sejumlah energi (untuk melakukan beberapa pekerjaan).

Energi yang diperlukan untuk memisahkan nukleon yang membentuk inti disebut energi ikat inti Besarnya energi ikat dapat ditentukan berdasarkan hukum kekekalan energi (lihat 18) dan hukum proporsionalitas massa dan energi (lihat 20).

Menurut hukum kekekalan energi, energi nukleon yang terikat dalam inti harus lebih kecil dari energi nukleon yang terpisah dengan nilai energi ikat inti 8. Sebaliknya, menurut hukum proporsionalitas massa dan energi, perubahan energi suatu sistem disertai dengan perubahan proporsional dalam massa sistem

di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Karena dalam kasus yang dipertimbangkan adalah energi ikat inti, massa inti atom harus lebih kecil dari jumlah massa nukleon yang membentuk inti, dengan nilai yang disebut cacat massa inti. Dengan menggunakan rumus (10), seseorang dapat menghitung energi ikat inti jika cacat massa inti ini diketahui

Saat ini, massa inti atom telah ditentukan dengan tingkat akurasi yang tinggi melalui spektrograf massa (lihat 102); massa nukleon juga diketahui (lihat 138). Hal ini memungkinkan untuk menentukan cacat massa inti apa pun dan menghitung energi ikat inti menggunakan rumus (10).

Sebagai contoh, mari kita hitung energi ikat inti atom helium. Ini terdiri dari dua proton dan dua neutron. Massa proton adalah massa neutron Oleh karena itu, massa nukleon yang membentuk inti adalah Massa inti atom helium Jadi, cacat inti atom helium adalah

Maka energi ikat inti helium adalah

Rumus umum untuk menghitung energi ikat setiap inti dalam joule dari cacat massanya jelas akan memiliki bentuk:

di mana adalah nomor atom, A adalah nomor massa. Menyatakan massa nukleon dan inti dalam satuan massa atom dan dengan mempertimbangkan bahwa

seseorang dapat menulis rumus untuk energi ikat inti dalam megaelektronvolt:

Energi ikat inti per nukleon disebut energi ikat spesifik.

Di inti helium

Energi ikat spesifik mencirikan stabilitas (kekuatan) inti atom: semakin banyak v, semakin stabil inti. Menurut rumus (11) dan (12),

Kami tekankan sekali lagi bahwa dalam rumus dan (13) massa nukleon dan inti dinyatakan dalam satuan massa atom (lihat 138).

Rumus (13) dapat digunakan untuk menghitung energi ikat spesifik dari setiap inti. Hasil perhitungan ini disajikan secara grafis pada Gambar. 386; ordinat menunjukkan energi ikat spesifik dalam absis adalah nomor massa A. Dari grafik terlihat bahwa energi ikat spesifik maksimum (8,65 MeV) untuk inti dengan nomor massa orde 100; untuk inti berat dan ringan, itu agak kurang (misalnya, uranium, helium). Energi ikat spesifik inti atom hidrogen adalah nol, yang cukup dapat dimengerti, karena tidak ada yang terdisosiasi dalam inti ini: ia hanya terdiri dari satu nukleon (proton).

Setiap reaksi nuklir disertai dengan pelepasan atau penyerapan energi. Grafik ketergantungan di sini A memungkinkan Anda untuk menentukan pada transformasi apa energi inti dilepaskan dan pada apa - penyerapannya. Selama pembelahan inti berat menjadi inti dengan nomor massa A orde 100 (atau lebih), energi (energi nuklir) dilepaskan. Mari kita jelaskan hal ini dengan pembahasan berikut. Mari, misalnya, pembagian inti uranium menjadi dua

inti atom ("fragmen") dengan nomor massa Energi ikat spesifik inti uranium energi ikat spesifik tiap inti baru Untuk memisahkan semua nukleon penyusun inti atom uranium, diperlukan energi yang sama dengan energi ikat energi inti uranium:

Ketika nukleon-nukleon ini bergabung menjadi dua inti atom baru dengan nomor massa 119), energi yang sama dengan jumlah energi ikat inti baru akan dilepaskan:

Akibatnya, sebagai akibat dari reaksi fisi inti uranium, energi nuklir akan dilepaskan dalam jumlah yang sama dengan perbedaan antara energi ikat inti baru dan energi ikat inti uranium:

Pelepasan energi nuklir juga terjadi selama reaksi nuklir dari jenis yang berbeda - ketika beberapa inti ringan bergabung (sintesis) menjadi satu inti. Memang, misalnya, peleburan dua inti natrium menjadi inti dengan nomor massa terjadi.

Ketika nukleon-nukleon ini bergabung menjadi inti baru (dengan nomor massa 46), energi yang sama dengan energi ikat inti baru akan dilepaskan:

Akibatnya, reaksi sintesis inti natrium disertai dengan pelepasan energi nuklir dalam jumlah yang sama dengan perbedaan antara energi ikat inti yang disintesis dan energi ikat inti natrium:

Jadi, kami sampai pada kesimpulan bahwa

Pelepasan energi nuklir terjadi baik dalam reaksi fisi inti berat maupun dalam reaksi fusi inti ringan. Jumlah energi nuklir yang dilepaskan oleh setiap inti yang bereaksi sama dengan perbedaan antara energi ikat 8 2 dari produk reaksi dan energi ikat 81 dari bahan nuklir asli:

Ketentuan ini sangat penting, karena metode industri untuk memperoleh energi nuklir didasarkan padanya.

Perhatikan bahwa yang paling menguntungkan, dalam hal hasil energi, adalah reaksi fusi inti hidrogen atau deuterium

Karena, sebagai berikut dari grafik (lihat Gambar 386), dalam hal ini perbedaan energi ikat dari inti yang disintesis dan inti awal akan menjadi yang terbesar.

Studi menunjukkan bahwa inti atom adalah formasi yang stabil. Ini berarti bahwa ada hubungan tertentu antara nukleon dalam nukleus. Studi tentang hubungan ini dapat dilakukan tanpa mengambil informasi tentang sifat dan sifat gaya nuklir, tetapi berdasarkan hukum kekekalan energi. Mari kita perkenalkan beberapa definisi.

Energi ikat nukleon dalam inti disebut besaran fisika yang sama dengan kerja yang harus dilakukan untuk melepaskan nukleon tertentu dari inti tanpa memberikan energi kinetik padanya.

Menyelesaikan energi ikat inti ditentukan oleh kerja yang harus dilakukan untuk memecah nukleus menjadi nukleon-nukleon penyusunnya tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka.

Berdasarkan hukum kekekalan energi, selama pembentukan inti, energi yang sama dengan energi ikat inti harus dilepaskan dari nukleon penyusunnya. Jelas, energi ikat nukleus sama dengan perbedaan antara energi total nukleon bebas yang membentuk nukleus yang diberikan dan energi mereka di dalam nukleus. Dari teori relativitas diketahui bahwa ada hubungan antara energi dan massa:

E \u003d mc 2. (250)

Jika melalui E sv menunjukkan energi yang dilepaskan selama pembentukan nukleus, maka pelepasan energi ini, menurut rumus (250), harus dikaitkan dengan penurunan massa total nukleus selama pembentukannya dari partikel komposit:

m = E sv / sejak 2 (251)

Jika dilambangkan dengan m p , m n , m saya massa proton, neutron, dan inti masing-masing, maka m dapat ditentukan dengan rumus:

dm = [Zm p + (A-Z)m n]- aku . (252)

Massa inti dapat ditentukan dengan sangat akurat menggunakan spektrometer massa - alat ukur yang memisahkan berkas partikel bermuatan (biasanya ion) dengan muatan spesifik yang berbeda menggunakan medan listrik dan magnet q/m. Pengukuran spektrometri massa menunjukkan bahwa, memang, massa inti lebih kecil dari jumlah massa nukleon penyusunnya.

Selisih antara jumlah massa nukleon penyusun inti dan massa inti disebut cacat massa nuklir(rumus (252)).

Menurut rumus (251), energi ikat nukleon dalam inti ditentukan oleh ekspresi:

CB = [Zm p+ (A-Z)m n - m saya ]dengan 2 . (253)

Tabel biasanya tidak memberikan massa inti saya, dan massa atom saya. Oleh karena itu, untuk energi ikat digunakan rumus

E SW =[Zm H+ (A-Z)m n - m a ]dengan 2 (254)

di mana m H- massa atom hidrogen 1 H 1 . Sebagai m H lagi m p, dengan nilai massa elektron Saya, maka suku pertama dalam kurung siku meliputi massa Z elektron. Tetapi karena massa atom saya berbeda dengan massa inti saya hanya pada massa Z elektron, maka perhitungan menggunakan rumus (253) dan (254) menghasilkan hasil yang sama.

Seringkali, alih-alih energi ikat inti, orang menganggap energi ikatan spesifikd CB adalah energi ikat per nukleon inti. Ini mencirikan stabilitas (kekuatan) inti atom, yaitu, semakin banyak d CB, semakin stabil inti . Energi ikat spesifik tergantung pada nomor massa TETAPI elemen. Untuk inti ringan (A £ 12), energi ikat spesifik meningkat tajam menjadi 6 7 MeV, mengalami serangkaian lompatan (lihat Gambar 93). Misalnya untuk d CB=1.1 MeV, untuk -7.1 MeV, untuk -5.3 MeV. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam nomor massa dE, SW meningkat lebih lambat ke nilai maksimum 8,7 MeV untuk elemen dengan TETAPI=50¸60, dan kemudian secara bertahap menurun untuk elemen berat. Misalnya, untuk itu adalah 7,6 MeV. Perhatikan sebagai perbandingan bahwa energi ikat elektron valensi dalam atom adalah sekitar 10 eV (10 6 kali lebih kecil). Pada kurva ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa untuk inti stabil (Gambar 93), pola berikut dapat dicatat:

A) Jika kita membuang inti yang paling ringan, maka secara kasar, kira-kira mendekati nol, energi ikat spesifiknya konstan dan sama dengan kira-kira 8 MeV per

nukleon. Perkiraan kemandirian energi ikat spesifik dari jumlah nukleon menunjukkan sifat kejenuhan gaya nuklir. Sifat ini adalah bahwa setiap nukleon hanya dapat berinteraksi dengan beberapa nukleon tetangga.

b) Energi ikat spesifik tidak konstan, tetapi memiliki maksimum (~8,7 MeV/nukleon) pada TETAPI= 56, yaitu di daerah inti besi, dan jatuh ke kedua ujungnya. Maksimum kurva sesuai dengan inti yang paling stabil. Sangat menguntungkan bagi inti yang paling ringan untuk bergabung satu sama lain dengan pelepasan energi termonuklir. Untuk inti terberat, sebaliknya, proses fisi menjadi fragmen bermanfaat, yang berlanjut dengan pelepasan energi, yang disebut energi atom.