Как найти удельную энергию связи: формула и расчёт
Дано: ядро алюминия-27, заряд , массовое число , масса ядра а.е.м. Найти: удельную энергию связи в мегаэлектронвольтах на нуклон.
Порядок действий один и тот же для любого ядра: сначала дефект массы (сумма масс свободных нуклонов минус масса собранного ядра), затем перевод дефекта в энергию через множитель 931,5 МэВ на а.е.м., затем деление энергии связи на число нуклонов. Ответ: дефект массы а.е.м., энергия связи МэВ, удельная энергия связи МэВ на нуклон. Калькулятор сверху повторяет тот же расчёт для любого нуклида и ставит вашу точку на кривую удельной энергии связи.
Решение по шагам
Дано. Сводим условие и табличные массы в одну таблицу, чтобы не путать нуклонные массы с массой ядра:
| Величина | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Зарядовое число | 13 | |
| Массовое число | 27 | |
| Масса ядра | 26,97440 а.е.м. | |
| Масса протона | 1,00728 а.е.м. | |
| Масса нейтрона | 1,00866 а.е.м. | |
| Энергетический эквивалент а.е.м. | 931,5 МэВ |
Найти: , , .
Шаг 1. Считаем состав ядра. Зарядовое число равно числу протонов, а нейтронов ровно столько, сколько осталось от массового числа:
Значит, ядро алюминия-27 собрано из 13 протонов и 14 нейтронов. Этот шаг выглядит формальным, но именно на нём чаще всего теряют пару нуклонов: в условии дают массовое число, а в формулу дефекта массы подставляют заряд.
Шаг 2. Находим дефект массы. Дефект массы - это разность между суммарной массой свободных нуклонов и массой готового ядра:
Подставляем числа и считаем слагаемые по отдельности, сохраняя все пять знаков после запятой: округлять здесь нельзя, потому что дефект массы составляет доли процента от исходных величин.
Дефект положительный, и так и должно быть: собранное ядро легче своих частей, иначе оно развалилось бы само.
Шаг 3. Переводим дефект массы в энергию связи. Одной атомной единице массы отвечает 931,5 МэВ, поэтому умножение дефекта на этот множитель сразу даёт ответ в мегаэлектронвольтах:
Шаг 4. Делим на число нуклонов. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон:
Ответ: а.е.м., МэВ, МэВ на нуклон. Табличное значение для алюминия-27 равно 8,332 МэВ на нуклон, так что расчёт сошёлся до третьей значащей цифры.
Формула и откуда берётся множитель 931,5
Удельная энергия связи по определению равна отношению полной энергии связи к числу нуклонов, а полная энергия связи выражается через дефект массы:
Физический смысл прост. Чтобы растащить ядро на отдельные протоны и нейтроны, нужно совершить работу против ядерных сил, и эта работа равна . Ровно столько же энергии выделяется при обратной сборке, и именно поэтому собранное ядро оказывается легче суммы частей: часть массы ушла в излучённую энергию. Подробнее эквивалентность массы и энергии разобрана в статье про связь массы и энергии, здесь она нужна только как рабочий инструмент.
Множитель 931,5 - это просто энергетический эквивалент атомной единицы массы, посчитанный один раз навсегда. Одна а.е.м. равна кг; умножив её на м²/с², получим Дж, а после деления на заряд электрона Кл - эВ, то есть 931,5 МэВ. В задачах этот пересчёт заново не делают: множитель берут готовым, как берут ускорение свободного падения.
Обратите внимание на разделение ролей двух величин. Полная энергия связи растёт вместе с размером ядра и у урана достигает почти 1800 МэВ, поэтому сравнивать по ней ядра бессмысленно. Удельная энергия связи, наоборот, нормирована на один нуклон и показывает, насколько прочно держится каждая частица, - по ней ядра и сравнивают.
Если дана масса атома, а не масса ядра
В справочниках чаще приведена масса нейтрального атома: она включает ещё и электронов. Подставлять её прямо в формулу с нельзя, иначе электроны попадут в дефект массы лишней добавкой. Есть два одинаково корректных выхода.
Первый: вычесть электроны и получить массу ядра, , где а.е.м. Для алюминия-27 табличная масса атома равна 26,98154 а.е.м., и после вычитания а.е.м. получается как раз 26,97440 а.е.м. из условия.
Второй, более удобный: работать целиком в атомных массах и заменить массу протона массой атома водорода а.е.м.:
Электроны при этом сокращаются автоматически - по штук слева и справа. Проверим на том же алюминии: а.е.м., и удельная энергия связи снова равна 8,33 МэВ на нуклон. Разница в последнем знаке - это энергия связи электронов в атоме, она в тысячи раз меньше ядерной и в такие задачи не входит. В калькуляторе сверху этот выбор вынесен отдельным переключателем: укажите, что именно дано в вашем условии, и формула подставится нужная.
Как удельная энергия связи меняется с массовым числом
Если посчитать для всех известных нуклидов и отложить её против массового числа, получится кривая с пологим максимумом. У самых лёгких ядер она мала, дальше быстро растёт, около железа выходит на плато примерно 8,8 МэВ на нуклон и затем медленно спадает к 7,6 МэВ у урана.
| Нуклид | , МэВ/нуклон | |
|---|---|---|
| Гелий-4 | 4 | 7,07 |
| Углерод-12 | 12 | 7,68 |
| Кислород-16 | 16 | 7,98 |
| Алюминий-27 | 27 | 8,33 |
| Железо-56 | 56 | 8,79 |
| Олово-120 | 120 | 8,50 |
| Уран-235 | 235 | 7,59 |
Объяснение хода кривой даёт капельная модель ядра. Рост на лёгком участке - это эффект поверхности: у маленького ядра почти каждый нуклон лежит на границе и недосчитывается соседей, а с увеличением размера доля поверхностных нуклонов падает. Спад на тяжёлом участке - это кулоновское отталкивание протонов, которое растёт быстрее объёма. Количественно оба вклада вместе с поправками на асимметрию и спаривание описывает формула Вайцзеккера.
Из этой же кривой следует вся ядерная энергетика. Любое движение к максимуму - слияние лёгких ядер или деление тяжёлых - переводит нуклоны в более прочно связанное состояние, а разница энергий освобождается. Поэтому энергию реакции считают как разность удельных энергий связи, умноженную на число нуклонов; техника такого расчёта разобрана в материале про энергетический выход ядерной реакции. И по той же причине железо стоит в конце цепочки термоядерного синтеза в звёздах: дальше выигрывать нечего.
Частые ошибки
- Делят на вместо . Удельная энергия связи приходится на нуклон, то есть на протон или нейтрон без разбора. Делить надо на массовое число.
- Подставляют массу атома вместо массы ядра. Масса атома больше массы ядра на , поэтому дефект массы выходит заниженным: для алюминия-27 это а.е.м., то есть около 3 % ответа.
- Округляют массы до трёх знаков. Дефект массы - это разность близких чисел, и при округлении до ответ уезжает на проценты. Все промежуточные величины держите с пятью знаками после запятой.
- Путают и . Нейтрон тяжелее протона, и если поменять их местами, дефект массы изменится на - для ядер с избытком нейтронов это ощутимо.
- Теряют знак. Из суммы масс нуклонов вычитают массу ядра, а не наоборот. Отрицательный дефект массы всегда означает арифметическую ошибку.
- Смешивают два способа. Либо масса ядра и масса протона, либо масса атома и масса атома водорода. Комбинация «масса атома и масса протона» даёт неверный результат.
FAQ
Чему равна удельная энергия связи в среднем? Для большинства ядер тяжелее гелия она лежит в узком коридоре 7,5–8,8 МэВ на нуклон. Максимум приходится на район железа и никеля (у никеля-62 около 8,79 МэВ), и именно поэтому железо считают самым прочно связанным элементом.
Почему у гелия-4 удельная энергия связи выше, чем у лития-7? У гелия-4 по два протона и два нейтрона, все нуклонные пары замкнуты - это дважды магическое ядро. Литий-7 с нечётным числом протонов и нейтронов заметно рыхлее: 5,61 против 7,07 МэВ на нуклон. Рост вдоль кривой не монотонный, лёгкие чётно-чётные ядра выбиваются вверх.
Можно ли считать в джоулях? Можно: переведите дефект массы в килограммы (умножив на ) и умножьте на . Для алюминия-27 получится Дж на ядро. В ядерной физике так не делают из-за неудобных порядков, но в задачах по общей физике такой ответ иногда требуют явно.
Как из удельной энергии связи получить полную? Умножением на массовое число: . Например, для железа-56 это МэВ. Обратный переход нужен, когда в таблице дана , а в задаче спрашивают энергию расщепления ядра целиком.
Коротко
- Находим состав ядра: протонов , нейтронов . Для алюминия-27 это 13 и 14.
- Считаем дефект массы с точностью до пятого знака: а.е.м.
- Переводим в энергию: МэВ.
- Делим на массовое число: МэВ на нуклон.
- Если дана масса атома, берём вместо или вычитаем из массы атома - ответ тот же.
Похожие задачи
Как найти давление света: формула и пример расчёта
Разбираем, как найти давление света: формула через интенсивность и скорость света, пошаговый расчёт давления и силы для зеркала и чёрной поверхности, падение под углом, частые ошибки.
Физика (квантовая/атомная)Как найти модуль Юнга: пошаговое решение задачи
Как найти модуль Юнга по опыту на растяжение: формула E = F l0 / (S dl), пошаговый расчёт для стальной проволоки, обработка серии замеров и сверка со справочником.
Физика (квантовая/атомная)Как составить электронную конфигурацию атома: разбор
Как составить электронную конфигурацию атома и иона: порядок заполнения по Клечковскому, полная и сокращённая формулы, валентные и неспаренные электроны, провал электрона у хрома.
Орг./аналит. химияОкисление перманганатом калия: реакции в трёх средах
Как написать окисление перманганатом калия в кислой, нейтральной и щелочной средах: продукты восстановления марганца, метод электронного баланса, расстановка коэффициентов, расчёт титранта.
Химия (физич./структурная)Как найти активность иона: расчёт по Дебаю-Хюккелю
Как найти активность иона в растворе: ионная сила по всем ионам, коэффициент активности по предельному закону Дебая-Хюккеля, произведение f на c, разбор с числами и калькулятор.
ГенетикаКак найти частоту генотипов: закон Харди-Вайнберга
Разбор задачи по популяционной генетике: как найти частоту генотипов по закону Харди-Вайнберга, формула p2 плюс 2pq плюс q2, расчёт числа особей и калькулятор частот.