Так как нуклоны в ядре связаны ядерными силами, то чтобы разделить ядро на составляющие протоны и нейтроны надо затратить большую энергию. Такая же энергия освобождается, если свободные протоны и нейтроны объединяются и образуется ядро. Эта энергия называется энергией связи ядра. Согласно теории относительности Эйнштейна энергии соответствует масса. Поэтому масса ядра должна быть меньше суммы масс составляющих его свободных протонов и нейтронов. Разность между суммой масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которых образовано ядро и массой ядра называется дефектом массы ядра . Энергия связи равна: Е св = С 2 × Dm
Dm – дефект массы ядра.
Энергию связи выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ) (МэВ=10 6 ЭВ). Поскольку атомная единица массы (а. е. м.) равна 1,66 × 10 -27 кг, можно определить соответствующую ей энергию:
С помощью масс-спектрографа были измерены массы всех изотопов и вычислены значения дефекта массы и энергии связи для всех ядер, которые используют для расчета ядерных реакций. Если в какой-то реакции получаются ядра и частицы суммарная масса которых меньше чем у исходных ядер и частиц, то в таких реакциях освобождается энергия; если больше – то поглощается и самопроизвольно такая реакция не произойдет.
Проведем энергетический расчет ядерной реакции превращения радия в радон: 
. Энергия связи исходного ядра составляет 1731,6 МэВ, а суммарная энергия связи образовавшихся ядер равна 1708,2+28,3=176,5 МэВ и больше энергии связи исходного ядра на 4,9 МэВ. Следовательно, в этой реакции освобождается энергия 4,9 МэВ, которая в основном составляет кинетическую энергию g-частицы.
Большое значение имеет энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон. Чем она больше, тем прочнее ядро. Наиболее прочные средние ядра. Легкие ядра недостаточно используют свои энергии связи. Тяжелые ядра ослабляют кулоновскими силами отталкивания, которые в отличии от ядерных действуют между всеми нуклонами ядра. Отсюда следует важный вывод: энергия освобождается, когда образуются средние ядра. Это может быть при делении тяжелого ядра на два средних в атомных реакторах или же при синтезе среднего ядра из двух более легких. Это термоядерные реакции синтеза происходящие на солнце и звездах.
ЗАДАЧИ К БЛОКУ 25
1. Во что превращается изотоп тория ядро которого претерпевает три последовательных a распада.
Решение:
При испускании a-частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, значит при испускании 3-х a-частиц заряд ядра уменьшается на 2 × 3 = 6 единиц, а массовое число на 4 × 3 = 12 единиц и значит получится изотоп по таблице находим, что это полоний или 
2. При бомбардировке азота нейтронами образуется два изотопа, один из которых является изотопом водорода Изотоп какого элемента образуется при этой ядерной реакции.
В данном случае происходит ядерная реакция с получением неизвестного изотопа Х.
В ядерных реакциях сохраняется число нуклонов и заряд, поэтому сумма нижних и верхних индексов постоянна.
По таблице Менделеева находим, что получается углерод:
Таким образом: 
3.
Дописать ядерную реакцию: 
Определяем, что неизвестная частица имеет зарядовое число 1 и массовое 1, значит изотоп водорода , т.е. протон, т.е. имеем: 
4. Найти энергию, соответствующую 1 а.е.м. Выразить ее в МэВ.
Решение:
Е = m c 2
m = 1 а.е.м.= 1,66 × 10 -27 кг
С = 3 × 10 8 м/с
Е = 1,66 × 10 -27 × (3 × 10 8) 2 = 14,94 × 10 -11 Дж
1 ЭВ = 1,6 × 10 -19 Дж
Значит: 1 а.е.м. соответствует 931 МЭВ.
5. Вычислить энергию ядра трития, если масса протона m р = 1,00814 а.е.м., масса нейтрона m n = 1,00898 и масса атома трития А = 3,01700 а.е.м.
Дано:
m р = 1,00814 а.е.м
m n = 1,00898
А = 3,01700 а.е.м.
__________________
Е св – ?
Решение:
Ядро трития: состоит из одного протона и двух нейтронов, суммарная масса которых: m р + 2m n = 1,00814 + 2 × 1,00898 = =3,02610
Значит дефект массы:
Dm = 3,02610 - 3,01700 а.е.м. = 0,00910 а.е.м.
т.к. 1 а.е.м - 931 МЭВ; то Е св = 931×Dm или
Е св = 931×0,00910 (МЭВ) = 8,5 МЭВ
Ответ : 8,5 МЭВ
6. Выделяется или поглощается энергия при реакции:
Можно было вычислить энергию связи каждого ядра, но можно воспользоваться и специальной таблицей:
Суммарная масса ядер и частиц до реакции: 39,2 + 28,3 = 67,5 МЭВ
после реакции: 64,7 + 0 = 64,7 МЭВ
Значит в такой реакции поглощается энергия: 67,5 - 64,7 = 2,8 МЭВ
7. Определить энергию при реакции:
до реакции: 2,2 + 2,2 = 4,4 МЭВ
после реакции: 8,5 МЭВ
энергия выделится: 8,5 - 4,4 = 4,1 МэВ
8. Имеется 4 г. радиоактивного кобальта. Сколько граммов кобальта распадается за 216 суток, если его период полураспада 72 суток?
Дано:
m 0 = 4 г
t = 216 сут.
Т = 72 сут.
Dm – ?
Решение:
Так как масса вещества прямо пропорциональна числу атомов, то: DN = N 0 - N ;
Значит: 
Значит: и
Ответ : 3,5 г.
9. Имеется 8 кг радиоактивного цезия. Определить массу нераспавшегося цезия после 135 лет радиоактивного распада, если его период полураспада равен 27 годам.
Ответ : 270 суток
11. Определить возраст древних деревянных предметов, если известно, что количество нераспавшихся атомов радиоактивного углерода в них составляет 80% от количества атомов этого углерода в свежесрубленном дереве. Период полураспада углерода 5570 лет.
Дано:
Т = 5570 лет
Решение:
Ответ : 1800 лет.
Абсолютно любого химического вещества состоит из определенного набора протонов и нейтронов. Они удерживаются вместе благодаря тому, что внутри частицы присутствует энергия связи атомного ядра.
Характерной особенностью ядерных сил притяжения является их очень большая мощность на сравнительно маленьких расстояниях (примерно от 10 -13 см). С ростом расстояния между частицами ослабевают и силы притяжения внутри атома.
Рассуждение об энергии связи внутри ядра
Если представить, что имеется способ отделять по очереди от ядра атома протоны и нейтроны и располагать их на таком расстоянии, чтобы энергия связи атомного ядра переставала действовать, то это должно быть очень тяжелой работой. Для того чтобы извлечь из ядра атома его составляющие, нужно постараться преодолеть внутриатомные силы. Эти усилия пойдут на то, чтобы разделить атом на содержащиеся в нем нуклоны. Поэтому можно судить, что энергия атомного ядра меньше чем энергия тех частиц, из которых оно состоит.
Равна ли масса внутриатомных частиц массе атома?
Уже в 1919 году исследователи научились измерять массу атомного ядра. Чаще всего его «взвешивают» при помощи особых технических приборов, которые получили название масс-спектрометров. Принцип работы таких приборов состоит в том, что сравниваются характеристики движения частиц с различными массами. При этом такие частицы имеют одинаковые электрические заряды. Подсчеты показывают, что те частицы, которые обладают разными показателями массы, двигаются по различным траекториям.
Современные ученые выяснили с большой точностью массы всех ядер, а также входящих в их состав протонов и нейтронов. Если же сравнить массу определенного ядра с суммой масс содержащихся в нем частиц, то окажется, что в каждом случае масса ядра будет больше, чем масса отдельно взятых протонов и нейтронов. Эта разница составит приблизительно 1% для любого химического вещества. Поэтому можно сделать вывод, что энергия связи атомного ядра - это 1% энергии его покоя.
Свойства внутриядерных сил
Нейтроны, которые находятся внутри ядра, отталкиваются друг от друга кулоновскими силами. Но при этом атом не распадается на части. Этому способствует присутствие силы притяжения между частицами в атоме. Такие силы, которые имеют природу, отличную от электрической, называются ядерными. А взаимодействие нейтронов и протонов называется сильным взаимодействием.
Вкратце свойства ядерных сил сводятся к следующим:
- это зарядовая независимость;
- действие лишь на коротких расстояниях;
- а также насыщаемость, под которой понимается удерживание друг около друга лишь определенного количества нуклонов.
По закону сохранения энергии, в тот момент, когда ядерные частицы соединяются, происходит выброс энергии в виде излучения.
Энергия связи атомных ядер: формула
Для упомянутых вычислений используется общепринятая формула:
Е св =(Z·m p +(A-Z)·m n -M я )·c²
Здесь под Е св понимается энергия связи ядра; с - скорость света; Z -количество протонов; (A-Z ) - число нейтронов; m p обозначает массу протона; а m n - массу нейтрона. M я обозначает массу ядра атома.
Внутренняя энергия ядер различных веществ
Чтобы определить энергию связи ядра, используется одна и та же формула. Вычисляемая по формуле энергия связи, как ранее уже было указано, составляет не более 1% от общей энергии атома или энергии покоя. Однако при детальном рассмотрении оказывается, что это число довольно сильно колеблется при переходе от вещества к веществу. Если попробовать определить его точные значения, то они будут особенно различаться у так называемых легких ядер.
Например, энергия связи внутри водородного атома составляет ноль, потому что в нем находится лишь один протон.Энергия связи ядра гелия будет равна 0,74%. У ядер вещества под названием тритий это число будет равно 0,27%. У кислорода - 0,85%. В ядрах, где находится порядка шестидесяти нуклонов, энергия внутриатомной связи будет составлять около 0,92%. Для атомных ядер, обладающих большей массой, это число будет постепенно уменьшаться до 0,78%.
Чтобы определить энергию связи ядра гелия, трития, кислорода, или же любого другого вещества, используется та же формула.
Типы протонов и нейтронов
Основные причины подобных различий могут быть объяснены. Ученые выяснили, что все нуклоны, которые содержатся внутри ядра, делятся на две категории: поверхностные и внутренние. Внутренние нуклоны - это те, что оказываются окружены другими протонами и нейтронами со всех сторон. Поверхностные же окружены ими лишь изнутри.
Энергия связи атомного ядра - это сила, которая выражена больше у внутренних нуклонов. Нечто подобное, кстати, происходит и при поверхностном натяжении различных жидкостей.
Сколько нуклонов помещается в ядре
Выяснено, что количество внутренних нуклонов особенно мало у так называемых легких ядер. А у тех, что относятся к категории самых легких, практически все нуклоны расцениваются как поверхностные. Считается, что энергия связи атомного ядра - это величина, которая должна расти с количеством протонов и нейтронов. Но даже такой рост не может продолжаться до бесконечности. При определенном количестве нуклонов - а это от 50 до 60 - приходит в действие другая сила - их электрическое отталкивание. Оно происходит даже независимо от наличия энергии связи внутри ядра.
Энергия связи атомного ядра в различных веществах используется учеными для того, чтобы высвободить ядерную энергию.
Многих ученых всегда интересовал вопрос: откуда возникает энергия, когда более легкие ядра сливаются в тяжелые? На самом деле, данная ситуация аналогична атомному делению. В процессе слияния легких ядер, точно так же, как это происходит при расщеплении тяжелых, всегда образуются ядра более прочного типа. Чтобы «достать» из легких ядер все находящиеся в них нуклоны, требуется затратить меньше количество энергии, нежели то, что выделяется при их объединении. Обратное утверждение также является верным. На самом деле энергия синтеза, которая приходится на определенную единицу массы, может быть и больше удельной энергии деления.
Ученые, исследовавшие процессы деления ядра
Процесс был открыт учеными Ганом и Штрасманом в 1938 году. В стенах Берлинского химического университета исследователи открыли, что в процессе бомбардировки урана другими нейтронами, он превращается в более легкие элементы, стоящие в середине таблицы Менделеева.
Немалый вклад в развитие этой области знания внесла и Лиза Мейтнер, которой Ган в свое время предложил изучать радиоактивность вместе. Ган разрешил Мейтнер работать лишь на том условии, что она будет проводить свои исследования в подвале и никогда не станет подниматься на верхние этажи, что было фактом дискриминации. Однако это не помешало достичь ей значительных успехов в исследованиях атомного ядра.
Еще совсем недавно люди считали, что атом - это цельная неделимая частица. Позднее стало ясно, что он состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. При этом центральная часть снова считалась неделимой и цельной. Сегодня мы знаем, что она состоит из протонов и нейтронов. Причем, в зависимости от числа последних, у одного и того же вещества может быть несколько изотопов. Итак, тритий - за вещество, как его получить и использовать?
Тритий - что это такое?
Водород - самое простое вещество в природе. Если говорить про его самую распространенную форму, о которой подробнее будет сказано чуть ниже, то его атом состоит лишь из одного протона и одного электрона. Однако он может принимать и "лишние" частицы, которые несколько меняют его свойства. Так, ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. И если протий, то есть самая простая форма водорода - это то про его "улучшенную" версию этого не скажешь - в природе он встречается в незначительных количествах.
Изотоп водорода тритий (название происходит от греческого слова "третий") был открыт в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком. И на самом деле, найти его пытались очень долго и упорно. Сразу после открытия дейтерия и тяжелой воды в 1932 году ученые стали искать этот изотоп с помощью повышения чувствительности при изучении обычного водорода. Однако, несмотря ни на что, их попытки были тщетны - даже в самых концентрированных образцах не удавалось получить даже намек на присутствие вещества, которое было просто обязано существовать. Но в итоге поиски все-таки увенчались успехом - Олифант синтезировал элемент с помощью в лаборатории Резерфорда.
Если коротко, то определение трития звучит следующим образом: радиоактивный изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов. Итак, что о нем известно?
Об изотопах водорода
Первый элемент периодической таблицы является одновременно наиболее распространенным во Вселенной. При этом в природе он встречается в виде одного из трех своих изотопов: протия, дейтерия или трития. Ядро первого состоит из одного протона, что и дало ему название. Кстати, это единственный стабильный элемент, у которого отсутствуют нейтроны. Следующим в ряду изотопов водорода является дейтерий. Ядро его атома состоит из протона и нейтрона, а название восходит к греческому слову "второй".
В лаборатории были получены также еще более тяжелые изотопы водорода с массовыми числами от 4 до 7. Период их полураспада ограничивается долями секунд.
Свойства
Атомная масса трития составляет примерно 3,02 а. е. м. По своим физическим свойствам это вещество почти не отличается от обычного водорода, то есть в нормальных условиях является легким газом без цвета, вкуса и запаха, обладает высокой теплопроводностью. При температуре около -250 градусов по Цельсию становится легкой и текучей бесцветной жидкостью. Диапазон, в пределах которых он находится в данном агрегатном состоянии довольно узок. Температура плавления составляет около 259 градусов по Цельсию, ниже которой водород становится снегоподобной массой. Кроме того, этот элемент довольно хорошо растворяется в некоторых металлах.
Однако есть и некоторые отличия в свойствах. Во-первых, третий изотоп обладает меньшей реакционной способностью, а во-вторых, тритий радиоактивен и в связи с этим нестоек. составляет чуть более 12 лет. В процессе радиолиза он превращается в третий изотоп гелия с испусканием электрона и антинейтрино.
Получение
В природе тритий содержится в незначительных количествах и образуется чаще всего в верхних слоях атмосферы при соударении космических частиц и, например, атомов азота. Однако существует и промышленный метод получения этого элемента с помощью облучения лития-6 нейтронами в
Синтез трития в объеме, масса которого составляет около 1 килограмма, обходится примерно в 30 миллионов долларов.
Использование
Итак, мы немного больше узнали про тритий - что это такое и его свойства. Но зачем он нужен? Разберемся чуть ниже. По некоторым данным мировая коммерческая потребность в тритии составляет порядка 500 граммов в год, еще около 7 килограмм уходит на военные нужды.
По данным американского института исследований энергетики и окружающей среды, с 1955 по 1996 год в США было произведено 2,2 центнера сверхтяжелого водорода. А на 2003 год общие запасы этого элемента составляли около 18 килограмм. Для чего же они используются?
Во-первых, тритий необходим для поддержания боеспособности ядерного оружия, которым, как известно, пока еще обладают некоторые страны. Во-вторых, без него не обходится термоядерная энергетика. Еще тритий используется в некоторых научных исследованиях, например, в геологии с его помощью датируют природные воды. Еще одно назначение - источник питания подсветки в часах. Кроме того, в настоящее время проводятся эксперименты по созданию радиоизотопных генераторов сверхмалой мощности, например, для питания автономных датчиков. Ожидается, что в этом случае срок их службы составит около 20 лет. Стоимость такого генератора составит порядка одной тысячи долларов.
В качестве оригинальных сувениров также существуют брелки с небольшим количеством трития внутри. Они издают свечение и выглядят довольно экзотично, особенно если знать о внутреннем содержании.
Опасность
Тритий радиоактивен, именно этим объясняется часть его свойств и видов использования. Его период полураспада составляет около 12 лет, при этом образуется гелий-3 с испусканием антинейтрино и электрона. В процессе этой реакции выделяется 18,59 кВт энергии и бета-частицы распространяются в воздухе. Обывателю может показаться странным, что радиоактивный изотоп используется, скажем, для подсветки в часах, ведь это может быть опасным, разве нет? На самом деле тритий едва ли чем-то угрожает человеческому здоровью, поскольку бета-частицы в процессе его распада распространяются максимум на 6 миллиметров и не могут преодолеть простейшие преграды. Впрочем, это не значит, что работа с ним абсолютно безопасна - любое попадание внутрь с пищей, воздухом или впитывание через кожу может привести к проблемам. Хотя в большинстве случаев он легко и быстро выводится, так бывает не всегда. Итак, тритий - что это такое с точки зрения радиационной опасности?
Меры защиты
Несмотря на то что малая энергия распада трития не позволяет радиации серьезно распространяться, так что бета-частицы не могут преодолеть даже кожу, не стоит пренебрегать своим здоровьем. При работе с этим изотопом можно, конечно, не использовать костюм радиационной защиты, но элементарные правила, такие как закрытая одежда и хирургические перчатки, соблюдать необходимо. Поскольку основную опасность тритий представляет при попадании внутрь, важно пресечь деятельность, при которой это станет возможным. В остальном беспокоиться не о чем.
Если все же он в большом количестве поступил в ткани организма, может развиться, острая или хроническая лучевая болезнь в зависимости от длительности, дозы и регулярности воздействия. В некоторых случаях этот недуг успешно излечивается, но при обширных поражениях возможен летальный исход.
В любом нормальном организме есть следы трития, хоть они и абсолютно незначительны и едва ли влияют на Ну а у любителей часов со светящимися стрелками его уровень выше в несколько раз, хотя и все равно считается безопасным.
Сверхтяжелая вода
Тритий, как и обычный водород, может образовывать новые вещества. В частности, он входит в молекулу так называемой сверхтяжелой (супертяжелой) воды. Свойства этого вещества не слишком отличаются от привычной каждому человеку H 2 O. При том, что тритиевая вода также может участвовать в метаболизме, она отличается довольно высокой токсичностью и выводится в течение десятидневного срока, за который ткани могут получить довольно высокую степень облучения. И хотя данное вещество менее опасно само по себе, оно является более опасным в связи с периодом, на протяжении которого находится в организме.
