§ 209. Масса и энергия атомного ядра

Характеристикой ядра, определяющей химическое наименование элемента, является число протонов Порядковый номер атома в таблице Менделеева как раз определяется числом протонов

У каждой химической разновидности атомов возможно существование нескольких изотопов, отличающихся друг от друга числом нейтронов в ядре. Изотоп данного элемента характеризуется массовым числом равным общему числу протонов и нейтронов атомного ядра Таким образом, число нейтронов в ядре равно

Химически простые природные вещества являются смесью изотопов. Изотопный состав природных веществ обычно неизменен и является, таким образом, характеристикой химического элемента. Нередко один из изотопов резко преобладает в смеси. Например, водород встречается в природе в виде обычного водорода и дейтерия первый в количестве 99,98%, второй — в количестве 0,02%. Изотоп кислорода содержится в естественном кислороде в количестве 99,76%. Основной изотоп урана содержится в природном уране в количестве 99,28%.

Обозначим через массу изотопа углерода Величина называется атомной единицей массы. В этих относительных единицах и принято выражать атомные веса А изотопов и элементов.

Точными измерениями установлено, что одной атомной единице массы соответствует масса Абсолютное значение массы любого изотопа А (в граммах) определяют по формуле

Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона. Масса атома и масса его ядра почти совпадают. Однако при современной точности измерений эта разница в ряде случаев, в особенности для легких атомов, может быть уловлена и должна учитываться.

Очевидно, между массой ядра и массой атома элемента А будет существовать соотношение

В атомных единицах массы Таким образом, различия лежат в сотых, а для тяжелых атомов — в тысячных долях процента.

Относительные атомные веса изотопов близки к массовым числам, но не равны им. Например, масса равна 1,00807, масса равна 2,01463, масса равна 19,9972 и т. д.

Изучая внимательно таблицы масс изотопов, можно прийти к следующему важному выводу: масса ядер меньше суммы масс элементарных частиц, образующих ядро. Например, масса нейтрона 1,00888, масса протона 1,00807; масса двух нейтронов и двух протонов равна 4,0339. В то же время масса атома гелия, который состоит из двух нейтронов и двух протонов, не равна этой цифре, а равна 4,0038. Таким образом, масса ядра гелия меньше суммы масс, составляющих ядро частиц на величину 0,0301 атомной единицы, в тысячи раз превосходящую точность измерений.

Разность масс элементарных частиц, составляющих ядро, и массы ядра является важнейшим примером дефекта массы. Каждому ядру соответствует определенный дефект массы.

Одним из важнейших выводов теории относительности является принцип эквивалентности массы и энергии (стр. 385). Этот принцип гласит: если система приобретает или теряет количество энергии то масса этой системы соответственно возрастает или уменьшается на величину Дефект массы ядра (с точки зрения этого принципа) получает естественное истолкование: он является мерой энергии связи ядерных частиц.

Поясним, что означает это утверждение. Под энергией связи в химии и физике понимают ту работу, которую надо затратить для того, чтобы эту связь полностью нарушить. Если бы удалось разделить ядро на элементарные частицы, то, как сказано выше, масса системы возросла бы на величину дефекта массы это значит с точки зрения закона Эйнштейна, что ядру была подведена энергия которая и есть не что иное как энергия связи. Отсюда находим, что изменение массы на одну атомную единицу массы эквивалентно изменению энергии на Пользуясь этими цифрами и зная величины дефекта массы, можно без труда рассчитать энергии связи атомных ядер.

На рис. 239 изображена кривая энергии связи ядра, отнесенной к числу частиц ядра, т. е. величина По оси абсцисс отложено массовое число. Кривая показывает, что энергия связи на одну ядерную частицу сначала быстро, но не вполне закономерно возрастает, далее останавливается примерно на наконец,

слегка опускается для последних элементов Менделеевской таблицы. Факт постоянства числа 8 МэВ истолковывается следующим образом. Так как энергия связи, рассчитанная на одну частицу, не зависит от общего числа частиц в ядре, то взаимодействие в ядре имеет место лишь между ближайшими частицами. Отсюда, в частности, следует вывод о действии ядерных сил лишь при непосредственном сближении частиц (см. ниже).

Рис. 239.

Величину 8 МэВ поучительно сравнить с энергиями химической связи молекул. Эти последние равны обычно нескольким электрон-вольтам на атом. Значит, для расщепления молекулы на атомы надо затратить энергию в несколько миллионов раз меньшую, чем для расщепления ядра.

О ядерных силах будет речь ниже. Однако уже из приведенных примеров ясно, что эти силы достигают при разрушении ядра огромных значений. Очевидно также, что ядерные силы представляют собой новый класс сил, так как они способны сцеплять частицы, заряженные одноименным электричеством. Ядерные силы не сводимы к электрическим.