3. Energia właściwa wiązania jądra atomowego
advertisement
Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski informatyka + 1 ENERGIA WIĄZANIA JĄDER ATOMOWYCH. SIŁY JĄDROWE. Liceum Ogólnokształcące im. Gen. Mariusza Zaruskiego w Węgorzewie Waldemar Czapski Krzysztof Sauter informatyka + 2 Układ treści zajęć 1. Jądrowy niedobór masy. 2. Energia wiązania jądra atomowego. 3. Energia właściwa wiązania jądra atomowego. 4. Ogólne wiadomości o oddziaływaniach jądrowych. 5. Cechy sił jądrowych. 6. Nośniki oddziaływań jądrowych – mezony. informatyka + 3 1. Jądrowy niedobór masy. Osiągnięcie ogromnej czułości metody spektrometrii masowej w wyznaczaniu mas jąder atomowych pozwoliło na wykrycie bardzo ważnego prawa przyrody. Okazało się, że suma mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego jest zawsze większa od masy jądra zmierzonej doświadczalnie. Zjawisko to nazywamy jądrowym niedoborem masy. Niedobór masy jądra atomowego wyliczamy za pomocą następującego wzoru: DM = [Z mp + (A – Z) mn] - Mj DM – jądrowy niedobór masy mp – masa protonu mn – masa neutronu Z – liczba atomowa A – liczba masowa Mj – masa jądra zmierzona za pomocą spektrometru masowego. informatyka + 4 2. Energia wiązania jądra atomowego. Niedobór masy wyjaśniamy w następujący sposób. W czasie tworzenia jądra atomowego z części składowych zostaje wydzielona energia. Energia ta wydziela się kosztem części masy nukleonów łączących się w jądro. Inaczej mówiąc podczas syntezy jądra część masy nukleonów zamieniana jest na inne formy energii. Energię wydzieloną podczas syntezy jądra atomowego nazywamy energią wiązania jądra. Istnieje druga, równoważna definicja energii wiązania. Energią wiązania jądra atomowego nazywamy energię jaką należy dostarczyć, aby rozłożyć jądro na części składowe. Z podanych definicji wynika, że wiązanie nukleonów w jądrze oparte jest na deficycie energii (jak większość wiązań występujących w przyrodzie). Energia wiązania jądra wydziela się podczas syntezy w różnych postaciach: - energii kinetycznej jąder, - w postaci cząstek (i ich energii kinetycznej) emitowanych podczas syntezy, - energii elektromagnetycznej (promieniowanie elektromagnetyczne z całego zakresu widma tzn. od fal radiowych, poprzez zakres widzialny do promieniowania g). informatyka + 5 Energia wiązania jądra atomowego - cd Energię kinetyczną jąder i cząstek wyrzuconych z jądra można utożsamiać z energią cieplną. Energię wiązania jąder atomowych można wyliczyć za pomocą wzoru Einsteina wyrażającego równoważność energii i masy: Ew = DM c2 Ew – energia wiązania DM – jądrowy niedobór masy c – prędkość światła w próżni (c 300000 km/s). W fizyce atomowej i jądrowej używana jest jednostka energii nazywana elektronowoltem eV. 1 eV = 1,6 10-19 J Definicja tej jednostki oparta jest na ogólnym wzorze na pracę wykonaną przez pole elektryczne podczas przesuwania cząstek naładowanych: W=qU Jeden elektronowolt jest równoważny energii kinetycznej jaką uzyskuje elektron rozpędzany w obszarze pola elektrycznego, w którym występuje napięcie elektryczne = 1 V. Ładunek elektryczny elektronu wynosi q = e = 1,6 10-19 C, tak więc: W = 1,6 10-19C 1 V = 1,6 10-19 J = 1 eV informatyka + 6 3. Energia właściwa wiązania jądra atomowego O trwałości jąder atomowych decyduje energia właściwa wiązania (jądra nietrwałe, inaczej promieniotwórcze często posiadają dużą energię całkowitą wiązania, ale małą energię właściwą). Energią właściwą wiązania jądra atomowego nazywamy energię wiązania średnio przypadającą na jeden nukleon. DM c 2 E wl A Ewł = Ew/A Ewł – energia właściwa Ew – energia wiązania A – liczba masowa (ilość nukleonów w jądrze) Największą wartość energii właściwej posiadają jądra, których liczba masowa mieści się w zakresie od 50 do 80. Zależność energii właściwej od liczby masowej E [MeV] 9 8,5 8 7,5 7 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 informatykaA+ 200 220 240 7 4. Ogólne wiadomości o oddziaływaniach jądrowych Protony wchodzące w skład jądra atomowego oddziaływają ze sobą siłami odpychania elektrostatycznego. Siły te ze względu na małe odległości między protonami w jądrze mają bardzo duże wartości. Można oszacować ich wartość przyjmując, że odległość między dwoma protonami w jądrze wynosi r = 1,2 10-15 m, ładunek elektryczny protonu q = 1,602 10-19 C. Korzystamy ze wzoru Coulomba Fel k q1 q2 r2 Oblicz k – stała elektrostatyczna ośrodka (dla próżni k = 9109Nm2/C2) Pomimo tak dużych sił odpychania jądra atomowe istnieją. Oznacza to, że wewnątrz jądra muszą działać jeszcze potężniejsze siły przyciągania (siły grawitacji na poziomie atomów nie odgrywają żadnej roli ze względu na znikomą wartość). Siły przyciągania występujące w jądrze nazwano siłami jądrowymi. Oddziaływanie, którego miarą są siły jądrowe nazywane jest oddziaływaniem silnym lub inaczej oddziaływaniem jądrowym. 5. Cechy sił jądrowych 1) Siły jądrowe są krótkozasięgowe – ich wartość maleje do zera już w odległości 2 fm, oznacza to, że w jądrze oddziaływają ze sobą tylko najbliższe nukleony. 2) Oddziaływanie jądrowe jest najsilniejszym (znanym) oddziaływaniem występującym w przyrodzie – jego wartość jest około 100 razy większa od oddziaływań elektrostatycznych, 3) Siły jądrowe nie zależą od ładunku elektrycznego nukleonów (mówimy, że siły jądrowe są niezależne ładunkowo) – siły te występują między protonami, neutronami, protonami i neutronami, 4) Siły jądrowe są siłami przyciągania. 9 6. Nośniki oddziaływań jądrowych - mezony Zgodnie z hipotezą Hideki Yukawy oddziaływanie jądrowe przenoszone jest między nukleonami przez cząstki nazywane mezonami p. Cząstki te przenoszą między nukleonami energię, pęd i ładunek elektryczny. Teoria Yukawy dopuszczała występowanie procesów oddziaływania, w których następuje zamiana neutronu na proton (lub odwrotnie). Zgodnie z logiką tej teorii muszą występować trzy rodzaje mezonów: - p+ - mezon o ładunku elementarnym dodatnim, - p- - mezon o ładunku elementarnym ujemnym, - p0 – mezon obojętny. Masa mezonu p wynosi około 250 mas elektronu. Schemat wymiany cząstek p między nukleonami. p+ p- p0 n p+ p+ n n p+ p+ n n p+ n p+ p0 p0 n n p+ p+ n n p+ p+ Nośniki oddziaływań jądrowych – mezony - cd Hipoteza Yukawy została potwierdzona doświadczalnie, a Yukawa za prace nad teorią sił jądrowych otrzymał w 1949 r. nagrodę Nobla. Hideki Yukawa (jap. 湯川秀樹 Yukawa Hideki), ur. 23 stycznia 1907 w Tokio, zm. 8 września 1981) – fizyk teoretyczny, pierwszy Japończyk uhonorowany Nagrodą Nobla. Rozpoczął pracę jako wykładowca na Uniwersytecie Kioto bezpośrednio po jego ukończeniu w wieku 22 lat, prowadząc jednocześnie badania nad teorią cząstek elementarnych. W roku 1933 został profesorem na Uniwersytecie Osakijskim. W roku 1935 opublikował teorię mezonów, która wyjaśniała zasady interakcji pomiędzy protonami a neutronami i miała znaczący wpływ na rozwój badań nad cząstkami elementarnymi. W roku 1940 został profesorem na Uniwersytecie Tokijskim; w tym samym roku otrzymał nagrodę od Japońskiej Akademii Nauk (Nippon-gakushiin). Trzy lata później otrzymał wysokie odznaczenie od rządu japońskiego. W roku 1949 został profesorem na Columbia University. W tym samym roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za przewidzenie istnienia mezonów na podstawie teoretycznej pracy dotyczącej sił jądrowych – dwa lata po odkryciu przez Cecila Powella pionów π, teoretycznie przewidzianych przez Yukawę. Od roku 1953 był pierwszym przewodniczącym Research Institute for Fundamental Physics (RIFP) w Uniwersytecie Kioto, nazwanego jego imieniem (ang. Yukawa Institute for Theoretical Physics, YITP) i pełnił tę funkcję w latach 1953–1970. Otrzymał doktoraty honoris causa kilku uczelni, m.in. paryskiej Sorbony[1]. Był członkiem zagranicznym American National Academy of Sciences, American Physical Society, Royal Society w Londynie, Rosyjskiej Akademii Nauk, od której otrzymał też Złoty Medal Łomonosowa. W roku 1964 został odznaczony Orderem Zasługi RFN. W roku 1955 był jednym z sygnatariuszy Manifestu Russella-Einsteina. pl.wikipedia.org/wiki/Hideki_Yukawa
