¿Por qué el núcleo de un átomo es estable? ¿Qué retiene en su interior a los neutrones, que no tienen carga, y a los protones con carga positiva?

Este fenómeno no se puede explicar en términos de influencia electromagnética entre partículas cargadas. Los neutrones no llevan carga, por lo que no actúan sobre ellos fuerzas electromagnéticas. Bueno, los protones, partículas cargadas positivamente, deberían repelerse entre sí. Pero esto no sucede. Las partículas no se separan y el núcleo no se desintegra. ¿Qué fuerzas obligan a los nucleones a mantenerse unidos?

Fuerzas nucleares

Las fuerzas que mantienen a los protones y neutrones dentro del núcleo se llaman fuerzas nucleares. Evidentemente, deben superar significativamente las fuerzas electrostáticas de repulsión y las fuerzas de atracción gravitacional de las partículas. Las fuerzas nucleares son las más poderosas de todas las fuerzas que existen en la naturaleza. Se ha establecido experimentalmente que su magnitud es 100 veces mayor que las fuerzas de repulsión electrostática. Pero actúan sólo a corta distancia, dentro del núcleo. Y si esta distancia es incluso por una cantidad muy pequeña mayor que el diámetro del núcleo, la acción fuerzas nucleares se detiene y el átomo comienza a desintegrarse bajo la influencia de fuerzas de repulsión electrostática. Por lo tanto estas fuerzas acción corta.

Las fuerzas nucleares son fuerzas de atracción. No dependen de si la partícula tiene carga o no, ya que dentro del núcleo contienen tanto protones cargados como neutrones sin carga. La magnitud de estas fuerzas es la misma para un par de protones, un par de neutrones o un par neutrón-protón. La interacción de fuerzas nucleares se llama interacción fuerte.

Energía de enlace nuclear. defecto masivo

Gracias a las fuerzas nucleares, los nucleones del núcleo están muy unidos. Para romper esta conexión, es necesario trabajar, es decir, gastar una cierta cantidad de energía. La energía mínima necesaria para separar un núcleo en partículas individuales se llama energía de enlace nuclear átomo. Cuando los nucleones individuales se combinan en el núcleo de un átomo, se libera energía de magnitud igual a la energía de enlace. Esta energía es enorme. Por ejemplo, si quemas 2 autos carbón, entonces se liberará la energía, que se puede obtener sintetizando solo 4 g del elemento químico helio.

¿Cómo determinar la energía de enlace?

Para nosotros es obvio que la masa total de una naranja es igual a la suma de las masas de todas sus rodajas. Si cada rodaja pesa 15 g y hay 10 rodajas en una naranja, entonces el peso de la naranja es de 150 g. Por analogía, parecería que la masa del núcleo debería ser igual a la suma de las masas de los nucleones. del que consta. En realidad, todo resulta mal. Los experimentos muestran que la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de las partículas que lo componen. ¿Cómo es esto posible? ¿Hacia dónde desaparece parte de la masa?

Recordemos la ley de equivalencia de masa y energía, que también se llama ley de la relación entre masa y energía y se expresa mediante la fórmula de Einstein:

mi= mc 2 ;

Dónde mi - energía, metro - peso, Con - velocidad de la luz.

metro = E/c 2 .

Según esta ley, la masa no desaparece, sino que se convierte en energía liberada cuando los nucleones se combinan para formar un núcleo.

La diferencia entre las masas de un núcleo y la masa total de los nucleones individuales incluidos en él se llama defecto masivo y denotar Δ metro .

Una masa en reposo contiene una enorme reserva de energía. Y cuando los nucleones se combinan para formar un núcleo, se libera energía. ΔE = Δm c 2 , y la masa del núcleo disminuye en la cantidad Δ metro. Es decir, el defecto de masa es un valor equivalente a la energía que se libera durante la formación de un núcleo.

Δ metro = ΔE/c 2 .

El defecto de masa se puede definir de otra manera:

Δ metro = z m p + norte mn- mi yo

Dónde Δ metro – defecto de masa,

mi yo – masa central,

m p – masa de protones,

mn – masa de neutrones,

z – número de protones en el núcleo,

norte – número de neutrones en el núcleo.

mi yo< z m p + norte mn .

Resulta que todo el mundo tiene un defecto masivo. elementos químicos con la excepción del protio, un átomo de hidrógeno, que tiene un solo protón y ningún neutrón en su núcleo. Y cuantos más nucleones haya en el núcleo de un elemento, mayor será su defecto de masa.

Conociendo las masas de las partículas que interactúan en una reacción nuclear, así como las partículas que se forman como resultado, es posible determinar la cantidad de energía nuclear liberada y absorbida.

Para que los núcleos atómicos sean estables, los protones y neutrones deben estar contenidos dentro de ellos. enormes fuerzas, muchas veces mayor que las fuerzas de repulsión de protones de Coulomb. Las fuerzas que mantienen a los nucleones en el núcleo se llaman nuclear . Representan una manifestación del tipo de interacción más intensa conocida en física: la llamada interacción fuerte. Las fuerzas nucleares son aproximadamente 100 veces mayores que las fuerzas electrostáticas y decenas de órdenes de magnitud mayores que las fuerzas de interacción gravitacional entre nucleones. Una característica importante de las fuerzas nucleares es su naturaleza de corto alcance. Las fuerzas nucleares se manifiestan notablemente, como lo demostraron los experimentos de Rutherford sobre la dispersión de partículas α, sólo a distancias del orden del tamaño del núcleo (10 -12 -10 -13 cm). A grandes distancias, se manifiesta la acción de fuerzas de Coulomb que disminuyen relativamente lentamente.

Basándonos en datos experimentales, podemos concluir que los protones y neutrones en el núcleo se comportan de manera idéntica en relación con la interacción fuerte, es decir, las fuerzas nucleares no dependen de la presencia o ausencia de una carga eléctrica en las partículas.

El papel más importante en la física nuclear lo desempeña el concepto. energía de enlace nuclear .

La energía de enlace de un núcleo es igual a la energía mínima que se debe gastar para dividir completamente el núcleo en partículas individuales. De la ley de conservación de la energía se deduce que la energía de enlace es igual a la energía que se libera durante la formación de un núcleo a partir de partículas individuales.

La energía de enlace de cualquier núcleo se puede determinar utilizando medición precisa su masa. Actualmente, los físicos han aprendido a medir las masas de partículas (electrones, protones, neutrones, núcleos, etc.) con una precisión muy alta. Estas mediciones muestran que masa de cualquier núcleo METRO Isiempre menor que la suma de las masas de sus protones y neutrones constituyentes:

Esta energía se libera durante la formación de un núcleo en forma de radiación γ-cuantos.

Como ejemplo, calculemos la energía de enlace de un núcleo de helio; por ejemplo, la energía de ionización es 13,6 eV.

En las tablas se acostumbra indicar energía de enlace específica , es decir, energía de enlace por nucleón. Para un núcleo de helio, la energía de enlace específica es de aproximadamente 7,1 MeV/nucleón. En la Fig. 6.6.1 muestra un gráfico de la energía de enlace específica versus el número de masa A. Como puede verse en el gráfico, la energía de enlace específica de los nucleones no es la misma para diferentes núcleos atómicos. Para los núcleos ligeros, la energía de enlace específica primero aumenta abruptamente desde 1,1 MeV/nucleón para el deuterio a 7,1 MeV/nucleón para el helio. Luego, tras haber sufrido una serie de saltos, la energía específica aumenta lentamente hasta un valor máximo de 8,7 MeV/nucleón para elementos con número másico A= 50-60, y luego disminuye relativamente lentamente para elementos pesados. Por ejemplo, para el uranio es 7,6 MeV/nucleón.

La disminución de la energía de enlace específica durante la transición a elementos pesados ​​se explica por un aumento en la energía de repulsión de Coulomb de los protones. En los núcleos pesados, el enlace entre los nucleones se debilita y los propios núcleos se vuelven menos fuertes.

Cuando pulmones estables núcleos, donde el papel de la interacción de Coulomb es pequeño, el número de protones y neutrones z Y norte resultan ser iguales (, , ). Bajo la influencia de las fuerzas nucleares, se forman pares protón-neutrón. Pero para los núcleos pesados ​​que contienen una gran cantidad de protones, debido al aumento de la energía de repulsión de Coulomb, se necesitan neutrones adicionales para garantizar la estabilidad. En la Fig. La figura 6.6.2 es un diagrama que muestra el número de protones y neutrones en núcleos estables. Para núcleos que siguen al bismuto ( z> 83), debido al gran número de protones, generalmente es imposible una estabilidad completa.

De la Fig. 6.6.1 está claro que los más estables desde el punto de vista energético son los núcleos de los elementos de la parte media del sistema periódico. Esto significa que hay dos posibilidades para obtener un resultado positivo. producción de energía durante las transformaciones nucleares:

1. división de núcleos pesados ​​en otros más ligeros;

2. fusión de núcleos ligeros en otros más pesados.

Ambos procesos liberan enormes cantidades de energía. Actualmente se han llevado a cabo prácticamente ambos procesos: reacciones de fisión y reacciones termonucleares.

Hagamos algunas estimaciones. Digamos, por ejemplo, que un núcleo de uranio se divida en dos núcleos idénticos con un número másico de 119. Para estos núcleos, como puede verse en la Fig. 6.6.1, la energía de enlace específica es de aproximadamente 8,5 MeV/nucleón. La energía de enlace específica del núcleo de uranio es de 7,6 MeV/nucleón. En consecuencia, la fisión de un núcleo de uranio libera energía igual a 0,9 MeV/nucleón o más de 200 MeV por átomo de uranio.

Consideremos ahora otro proceso. Dejemos que, bajo ciertas condiciones, dos núcleos de deuterio se fusionen en un núcleo de helio. La energía de unión específica de los núcleos de deuterio es de 1,1 MeV/nucleón y la energía de unión específica de los núcleos de helio es de 7,1 MeV/nucleón. En consecuencia, la síntesis de un núcleo de helio a partir de dos núcleos de deuterio liberará una energía igual a 6 MeV/nucleón o 24 MeV por átomo de helio.

Cabe señalar que la síntesis de núcleos ligeros, en comparación con la fisión de núcleos pesados, va acompañada de una liberación de energía aproximadamente 6 veces mayor por nucleón.

Energía de enlace nuclear
Energía de unión

Energía de enlace nuclear – la energía mínima necesaria para dividir un núcleo en sus nucleones constituyentes (protones y neutrones). El núcleo es un sistema de nucleones unidos, que consta de Z protones (masa de un protón en estado libre m p) y N neutrones (masa de un neutrón en estado libre m n). Para dividir un núcleo en los nucleones que lo componen, se debe gastar una cierta energía mínima W, llamada energía de enlace. En este caso, un núcleo en reposo con masa M se transforma en un conjunto de protones y neutrones en reposo libres con una masa total Zmp + Nm n. La energía de un núcleo en reposo es Mc 2. Energía de los nucleones liberados en reposo (Zm p + Nm n)с 2. De acuerdo con la ley de conservación de la energía Mc 2 + W = (Zm p + Nm n)c 2. O W = (Zm p + Nm n)c 2 - Ms 2. Como W > 0, entonces M< (Zm p + Nm n), т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс свободных нуклонов, входящих в его состав.
W aumenta al aumentar el número A de nucleones en el núcleo (A = Z + N). Es conveniente tratar con la energía de enlace específica ε = W/A, es decir energía de enlace promedio por nucleón. Para la mayoría de los núcleos ε ≈ 8 MeV (1 MeV = 1,6·10 -13 J). Para romper un enlace químico se necesita 10 6 veces menos energía.

Energía de comunicación

La energía del enlace sirve como medida de la fuerza de cualquier enlace químico. Para romper un enlace químico, es necesario gastar energía igual en magnitud a la energía que se liberó durante la formación del enlace químico.

La cantidad de energía liberada cuando una molécula se forma a partir de átomos., llamado energía de formación de enlaces o sólo la energía de la conexión.

La energía de enlace se expresa en kJ/mol, por ejemplo:

H + H ® H 2 + 435 kJ.

Naturalmente, se debe gastar la misma cantidad de energía para romper los enlaces químicos en 1 mol de hidrógeno. Por tanto, cuanto mayor sea la energía de unión, más fuerte será el vínculo. Por ejemplo, ESV (H 2) = 435 kJ/mol y ESV (N 2) = 942 kJ/mol. Y, de hecho, el enlace en la molécula de nitrógeno (como se mostró anteriormente, triple) es mucho más fuerte que el enlace en la molécula de hidrógeno.

La escisión del enlace se puede realizar de forma homolítica (con formación de átomos neutros) y heterolíticamente (con formación de iones), y la energía de escisión puede variar.

NaCl (g) = Na (g) + Cl g – 414 kJ

Para moléculas del mismo tipo, la longitud de un enlace químico también puede servir como característica de la fuerza del enlace: después de todo, cuanto más corta es la longitud del enlace, mayor mas grado Nubes de electrones superpuestas.

Así, las longitudes de enlace ℓ (HF) = 0,092 nm y ℓ (HJ) = 0,162 nm indican una mayor fuerza de enlace en la molécula de fluoruro de hidrógeno, lo que se confirma en la práctica.

Cabe señalar que las longitudes de enlace determinadas experimentalmente caracterizan solo la distancia promedio entre átomos, ya que los átomos en las moléculas y cristales vibran alrededor de la posición de equilibrio.

La superposición de nubes de electrones, que conduce a la formación de un enlace químico, sólo es posible si tienen una determinada orientación mutua. La región de superposición también se encuentra en una determinada dirección hacia los átomos que interactúan. Por eso dicen que Un enlace químico covalente tiene direccionalidad. En este caso pueden surgir tres tipos de enlaces, los cuales se denominan enlaces s- (sigma), p- (pi) y d- (delta).

En los casos de formación de moléculas de H 2 y Cl 2 discutidos anteriormente, la superposición de nubes de electrones se produce a lo largo de la línea recta que conecta los centros de los átomos. Enlace covalente, formado como resultado de la superposición de nubes de electrones a lo largo de una línea que conecta los centros de los átomos, se llama enlace s. Se forma un enlace S (Fig. 3) cuando s – s – nubes (por ejemplo, H2), рх – рх – nubes (Cl 2), s – px (HF) se superponen.

Arroz. 3. Enlaces s en moléculas H 2 (a), Cl 2 (b), HF (c)

Cuando interactúan las nubes de electrones p, orientadas perpendicularmente al eje que conecta los centros de los átomos (nubes p y - y p z -), se forman dos regiones superpuestas, ubicadas a ambos lados del eje. Esta posición corresponde a la formación de un enlace P.

enlace pes un enlace para el cual la nube de electrones que la conecta tiene un plano de simetría que pasa a través de los núcleos atómicos.

Los enlaces p no existen por sí solos: se forman en moléculas que ya tienen enlaces s y dan lugar a la aparición de enlaces dobles y triples.

Así, en la molécula de N2, cada átomo de nitrógeno tiene tres no apareados.

2р – electrones. Una nube de cada átomo de nitrógeno participa en la formación de un enlace S (p x – p x - superposición).

Las nubes p y - y p z - dirigidas perpendicularmente a la línea de conexión S pueden superponerse entre sí sólo con los lados laterales de las "pesas". Esta superposición conduce a la formación de dos enlaces p, es decir el enlace en la molécula de N2 es triple. Sin embargo, estas conexiones son energéticamente desiguales: el grado de superposición de p x – p x – nubes es mucho mayor que p y – p y y p z – p z. Y, de hecho, la energía de un enlace triple es inferior al triple de la energía de un enlace s único, y cuando reacciones químicas En primer lugar, los enlaces p se rompen.

Arroz. 4. Varios casos de formación de enlaces p

Absolutamente cualquiera sustancia química consta de un determinado conjunto de protones y neutrones. Se mantienen unidos debido al hecho de que la energía de enlace del núcleo atómico está presente dentro de la partícula.

Un rasgo característico de las fuerzas de atracción nuclear es su altísima potencia a distancias relativamente pequeñas (entre 10 y 13 cm aproximadamente). A medida que aumenta la distancia entre las partículas, las fuerzas de atracción dentro del átomo se debilitan.

Razonamiento sobre la unión de energía dentro del núcleo.

Si imaginamos que hay una manera de separar protones y neutrones del núcleo de un átomo y colocarlos a una distancia tal que la energía de enlace del núcleo atómico deje de actuar, entonces debe ser un trabajo muy duro. Para extraer sus componentes del núcleo de un átomo, hay que intentar superar las fuerzas intraatómicas. Estos esfuerzos se destinarán a dividir el átomo en los nucleones que contiene. Por tanto, podemos juzgar que la energía del núcleo atómico es menor que la energía de las partículas que lo componen.

¿La masa de las partículas intraatómicas es igual a la masa de un átomo?

Ya en 1919, los investigadores aprendieron a medir la masa del núcleo atómico. La mayoría de las veces se "pesa" utilizando instrumentos técnicos especiales llamados espectrómetros de masas. El principio de funcionamiento de tales dispositivos es que las características del movimiento de partículas se comparan con diferentes masas. Además, estas partículas tienen las mismas cargas eléctricas. Los cálculos muestran que aquellas partículas que tienen diferentes masas se mueven a lo largo de diferentes trayectorias.

Los científicos modernos han determinado con gran precisión las masas de todos los núcleos, así como los protones y neutrones que los constituyen. Si comparamos la masa de un núcleo particular con la suma de las masas de las partículas que contiene, resulta que en cada caso la masa del núcleo será mayor que la masa de los protones y neutrones individuales. Esta diferencia será aproximadamente del 1% para cualquier producto químico determinado. Por tanto, podemos concluir que la energía de enlace de un núcleo atómico es el 1% de su energía en reposo.

Propiedades de las fuerzas intranucleares.

Los neutrones que se encuentran dentro del núcleo son repelidos entre sí por fuerzas de Coulomb. Pero el átomo no se desmorona. Esto se ve facilitado por la presencia de una fuerza de atracción entre las partículas de un átomo. Estas fuerzas, que no son de naturaleza eléctrica, se denominan nucleares. Y la interacción de neutrones y protones se llama interacción fuerte.

Brevemente, las propiedades de las fuerzas nucleares son las siguientes:

• ésta es la independencia de carga;
• acción sólo en distancias cortas;
• así como la saturación, que se refiere a la retención de sólo un cierto número de nucleones cerca unos de otros.

Según la ley de conservación de la energía, en el momento en que las partículas nucleares se combinan, se libera energía en forma de radiación.

Energía de enlace de los núcleos atómicos: fórmula.

Para los cálculos anteriores, se utiliza la fórmula generalmente aceptada:

Est=(Z·m p +(A-Z)·m n -MI)·c²

Aquí debajo Est se refiere a la energía de enlace del núcleo; Con- velocidad de la luz; z-número de protones; (ARIZONA) - número de neutrones; m p denota la masa de un protón; A mn- masa de neutrones. mi yo denota la masa del núcleo de un átomo.

Energía interna de núcleos de diversas sustancias.

Para determinar la energía de enlace de un núcleo se utiliza la misma fórmula. La energía de enlace calculada por la fórmula, como se indicó anteriormente, no es más del 1% de la energía total del átomo o energía en reposo. Sin embargo, tras un examen más detenido, resulta que este número fluctúa con bastante fuerza al pasar de una sustancia a otra. Si intentamos determinar sus valores exactos, se diferenciarán especialmente en los llamados núcleos ligeros.

Por ejemplo, la energía de enlace dentro de un átomo de hidrógeno es cero porque contiene solo un protón, la energía de enlace de un núcleo de helio será del 0,74%. Para los núcleos de una sustancia llamada tritio, este número será del 0,27%. El oxígeno tiene 0,85%. En núcleos con unos sesenta nucleones, la energía de enlace intraatómico será de aproximadamente el 0,92%. Para núcleos atómicos con mayor masa, esta cifra disminuirá gradualmente hasta el 0,78%.

Para determinar la energía de enlace del núcleo de helio, tritio, oxígeno o cualquier otra sustancia, se utiliza la misma fórmula.

Tipos de protones y neutrones

Se pueden explicar las razones principales de tales diferencias. Los científicos han descubierto que todos los nucleones contenidos dentro del núcleo se dividen en dos categorías: superficiales e internos. Los nucleones internos son aquellos que se encuentran rodeados por otros protones y neutrones por todos lados. Los superficiales están rodeados por ellos sólo desde el interior.

La energía de enlace de un núcleo atómico es una fuerza que es más pronunciada en los nucleones internos. Algo parecido, por cierto, ocurre con la tensión superficial de diversos líquidos.

Cuantos nucleones caben en un núcleo

Se ha descubierto que el número de nucleones internos es especialmente pequeño en los llamados núcleos ligeros. Y entre los que pertenecen a la categoría más ligera, casi todos los nucleones se consideran de superficie. Se cree que la energía de enlace de un núcleo atómico es una cantidad que debería aumentar con el número de protones y neutrones. Pero ni siquiera este crecimiento puede continuar indefinidamente. Con un cierto número de nucleones, y esto es de 50 a 60, entra en juego otra fuerza: su repulsión eléctrica. Ocurre incluso independientemente de la presencia de energía de enlace dentro del núcleo.

Los científicos utilizan la energía de unión del núcleo atómico en diversas sustancias para liberar energía nuclear.

Muchos científicos siempre han estado interesados ​​en la pregunta: ¿de dónde viene la energía cuando los núcleos más ligeros se fusionan con otros más pesados? De hecho, esta situación es similar a la fisión atómica. En el proceso de fusión de núcleos ligeros, al igual que ocurre durante la fisión de los pesados, siempre se forman núcleos de un tipo más duradero. Para "sacar" todos los nucleones que contienen de los núcleos ligeros, es necesario gastar menos energía de la que se libera cuando se combinan. Lo contrario también es cierto. De hecho, la energía de fusión que recae sobre una determinada unidad de masa puede ser mayor que la energía específica de fisión.

Científicos que estudiaron los procesos de fisión nuclear.

El proceso fue descubierto por los científicos Hahn y Strassman en 1938. En la Universidad de Química de Berlín, los investigadores descubrieron que durante el bombardeo de uranio con otros neutrones, se convierte en elementos más ligeros que se encuentran en el centro de la tabla periódica.

Lise Meitner también hizo una contribución significativa al desarrollo de este campo del conocimiento, a quien Hahn la invitó en un momento a estudiar juntos la radioactividad. Hahn permitió que Meitner trabajara sólo con la condición de que realizara su investigación en el sótano y nunca subiera a los pisos superiores, lo cual era un hecho de discriminación. Sin embargo, esto no le impidió lograr un éxito significativo en la investigación del núcleo atómico.