Сделай Сам Свою Работу на 5

Расчет энергии связи ядра.





Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

Университет им. Н.Г. Чернышевского»

Колледж радиоэлектроники им. П.Н.Яблочкова

 

 

Реферат

Энергия связи атомных ядер

 

 

Выполнил:

Студент группы «ПО-12»

Сысуев Игорь

Проверил:

преподаватель Митасова Т.Е.

 

План.

 

1. Введение.

2. Основная часть.

2.1. Дефект масс.

2.2.Энергия связи.

2.3. Удельная энергия связи.

2.4.Расчет энергии связи ядра.

3. Заключение.

Используемая литература.

 

 

Введение.

Атом…Невидимая, полная загадок мельчайшая частица вещества волновала мыслителей всех времен. Каких-нибудь сто лет назад ученые знали о нем, пожалуй, немногим больше, чем древнегреческие естествоиспытатели и философы, которые впервые ввели в обиход само понятие «атом». Это название полностью отражало его природу: неделимый. Атом считался последней гранью существования структур материи. Атомистика особенно актуальной стала тогда, когда возникло учение о химических элементах, получившее обобщение в Периодической системе Д. И. Менделеева.



В конце ХIX века и начале ХХ века произошли события изменившие взгляды на строение и свойства материи и положившие начало современной атомистике. Эти события связаны с четырьмя блестящими физическими открытиями.

8 ноября 1895 года немецкий физик Конрад Вильгельм Рентген открыл лучи, обладающие чрезвычайно сильной проникающей способностью. Он скромно наименовал их икс-лучами. Теперь весь мир называет эти лучи рентгеновскими.

1 марта 1896 года французский ученый Антуан Анри Беккерель подхватил «лучевую эстафету». Он установил, что соль урана – последнего элемента в менделеевской таблице – испускает невидимые лучи неизвестной природы. Сначала их называли урановыми. Вскоре выяснилось, что такой же способностью обладает сосед урана по Периодической системе – торий. Так было открыто новое явление природы – радиоактивность.

В апреле 1897 года пришло сообщение из Англии. Джозеф Джон Томсон доказал существование электрона – материальной частицы, являющейся носителем элементарного отрицательного заряда. Независимо от Томсона к подобному выводу пришел немецкий физик Э. Вихерт.



И наконец, 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества выступил с докладом Макс Планк. Он изложил свою гипотезу квантов: энергия испускается не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Так на свет появилась знаменитая формула Планка.

Эти революционные открытия и последующая их детальная разработка в конечном итоге привели к созданию модели атома и позволили в совершенно новом свете сформулировать основные положения атомистики.

Само понятие атом – неделимый – ныне по существу выглядит анахронизмом. Атом делим, и не только потому, что состоит из более простых частиц. Изучение явления радиоактивности показало, что атомы тяжелых элементов, расположенных в конце Периодической системы, могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в атомы других элементов.

Величайшим достижением науки об атоме стало овладение атомной энергией. Понадобилось меньше пятидесяти лет, чтобы от первых робких попыток проникнуть в глубинную сущность атома прийти к практической реализации возможности использования заключающейся в нем гигантской энергии.

Основная часть.

Важнейшую роль во всей ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить довольно большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию.



Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергия связи атомных ядер очень велика. Но как ее определить?

В настоящее время рассчитать энергию связи теоретически, подобно тому, как это можно сделать для электронов в атоме, не удается. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией:

E=m

 

Дефект масс.

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра ( всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.

При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.

При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших.


Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:


где Мя – масса ядра (из справочника)
Z – число протонов в ядре
– масса покоя свободного протона (из справочника)
N – число нейтронов в ядре
– масса покоя свободного нейтрона

Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.

Энергия связи.

Представим себе мысленно процесс, при котором ядро образуется из отдельных протонов и нейтронов путем их последовательного соедине-ния: сначала с протоном соединяется один нейтрон, потом к ним присоеди-няется еще один нейтрон, затем второй протон и т.д.. Сцепление частиц при этом происходит под действием ядерных сил. При этом как только два нук-лона (или нуклон и уже образовавшийся зародыш ядра) оказываются в пре-делах зоны действия ядерных сил, они начинают под действием этих сил двигаться на встречу друг другу с быстро нарастающей скоростью, так что в момент столкновения они будут обладать большим запасом кинетической энергии. Дальше либо частицы снова разлетятся в стороны, и тогда запас их энергии израсходуется на преодоление ядерных сил притяжения (в этом случае говорят, что произошло рассеяние частиц), либо лишняя энергия уйдет из системы в виде фотона. В последнем случае нуклоны окажутся крепко связанными друг с другом ядерными силами, так как в системе не осталось энергии, необходимой для преодоления действия этих сил. Выделение энергии в виде излучения будет происходить при присоединении каждого следующего нуклона, в результате чего в процессе образования ядра из системы нуклонов в пространство уйдет значительное количество энергии. Теперь разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что освободилась в процессе его образования. Поэтому чем больше выделившаяся при образовании ядра энергия, тем прочнее связано ядро. Эту энергию называют энергией связи. Можно дать и такое определение энергии связи:

Полная энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны.

То есть энергия связи есть энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

О том, как велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и при сгорании 1.5 – 2 вагонов каменного угля.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

 

Удельная энергия связи.

Удельной энергией связи называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментальным путем. Если разделить на полное число нуклонов в ядре А, то получится удельная энергия связи,

= /А.

На рисунке 1 приведена зависимость экспериментальных значений от массового числа А. При рассмотрении этого рисунка можно сделать следующие выводы.

1. Кроме самых легких ядер, значения оказываются примерно одинаковыми: (8 1) МэВ. Это говорит еще об одной интересной особенности ядерных сил – их склонности к насыщению.

В самом деле, если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми остальными нуклонами ядра, то число таких парных взаимодействий было бы равно А(А-1)/2 и при А и среднем значении энергии каждого парного взаимодействия ε полная энергия взаимодействия (в данном случае полная энергия связи ядра) была бы пропорциональна ε и, стало быть, В εА, т.е. возрастала бы линейно с ростом массового числа. Поскольку В const, приходиться допустить, что общее число связей пропорционально просто числу частиц А (а не ). Отсюда следует, что у каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя – тремя соседними нуклонами, то наступает состояние насыщения и связи с другими нуклонами оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.

2. Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами (у них самые большие значения В).

В легких ядрах все или почти все нуклоны лежат на поверхности ядра и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает значения В. С ростом А увеличивается доля нуклонов, лежащих внутри ядра, которые свои возможности взаимодействия используют полностью, поэтому значения В постепенно увеличиваются. Однако при дальнейшем увеличении числа нуклонов в ядре начинает все сильнее сказываться взаимное отталкивание электрических зарядов протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает В. Это приводит к тому, что все тяжелые ядра оказываются нестабильными.

Рис.1

Расчет энергии связи ядра.

Энергия связи ядра численно равна работе, которую нужно затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, или энергии, выделяющейся при синтезе ядер из нуклонов.
Мерой энергии связи ядра является дефект массы.

Формула для расчета энергии связи ядра - это формула Эйнштейна:
если есть какая-то система частиц, обладающая массой, то изменение энергии этой системы приводит к изменению ее массы.

Здесь энергия связи ядра выражена произведением дефекта масс на квадрат скорости света.

В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).

Энергию связи можно рассчитать в Джоулях, подставляя в расчетную формулу массу в килограммах.

Однако, в ядерной физике принято выражать энергию в электрон-вольтах (эВ):

Просчитаем соответствие 1 а.е.м. электрон-вольтам:

Теперь расчетная формула энергии связи (в электрон-вольтах) будет выглядеть так:

Заключение.

Энергетическая проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления энергии выдвинул новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества.

Мировые энергетические потребности в ближайшее десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы.

На ближайшем этапе развития энергетики наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах.

Сегодня масштабы потребления энергии цивилизаций даже второго класса выглядит фантастикой.

Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

Рассматривая плюсы и минусы применения атомной - ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни человечества, можно сделать вывод, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции.

Из этого всего можно сделать вывод, что до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

 

 

Используемая литература.

1. К. Маналов, В. Тютник «Биография атома. Атом от Кембриджа до Хиросимы» - Москва: «Мир» 1984 г.

2. А.И. Абрамов «Основы ядерной физики» - Москва: «Энергоатомиздат» 1983 г.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики, т.5, ч. 2

4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. «Физика.11 класс» - Москва: «Просвещение» 2010 г.

 

 

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.