Как объяснить E=mc2E=mc2E=mc^2 дефект массы при делении/синтезе?

Какова природа ядерной энергии ? Это тесно связано с правильным объяснением дефекта массы.

Я провел некоторое исследование этой темы и не могу прийти к единому исчерпывающему и последовательному описанию.

Ниже приведены связанные утверждения, которые я собрал или могу придумать, описывающие проблемную область. Мне кажется, что каждый из них имеет смысл, но некоторые из них противоречивы, поэтому очевидно - ошибочны. Пожалуйста, укажите и объясните эти ошибки.

  1. Чем больше нуклонов в ядре, тем больше ядро, поэтому среднее расстояние нуклона друг от друга больше, следовательно, электромагнитное отталкивание на большие расстояния имеет тенденцию преодолевать сильное ядерное взаимодействие на коротких расстояниях, вплоть до точки случайного альфа. распад на элементы трансуранового конца спектра.

  2. Чем меньше нуклонов в ядре, тем ближе они в среднем, поэтому сильная сила, приходящаяся на каждый, выше и легко преодолевает электромагнитное отталкивание.

  3. Учитывая (1) и (2), чем меньше ядро, тем сильнее оно связано.

  4. Чем сильнее связано ядро, тем выше его энергия связи .

  5. Чем выше энергия связи ядра, тем больше энергии запасается на нуклон в системе.

  6. Чем выше энергия связи, приходящаяся на нуклон, тем труднее расщепить атом.

  7. Чем труднее расщепить атом, тем стабильнее атом.

  8. Чем энергичнее связь, чем труднее ее разорвать, тем устойчивее атом, составленный из таких связей.

  9. Природные системы склонны развиваться к более низким, а не к более высоким энергетическим состояниям.

  10. В литературе представлена ​​диаграмма энергии связи для каждого элемента с пиком на железе (~ 56 нуклонов). Как более легкие, так и более тяжелые элементы, как правило, имеют меньшую энергию связи.

  11. Железо – самый устойчивый элемент. Он изобилует во Вселенной, поскольку естественная атомная эволюция имеет тенденцию приближаться к нему с обоих концов спектра атомных чисел.

  12. Избыточная энергия в ядерной реакции достигается при расщеплении тяжелых элементов (деление) или слиянии легких элементов (синтез).

  13. Избыточная энергия — это энергия, отбираемая из системы, т. е. средняя энергия, приходящаяся на одно ядро, выше до реакции и ниже после реакции.

  14. После реакции - полученные элементы ближе к атомному номеру железа

  15. Дефект массы прямо пропорционален энергии связи. Чем сильнее энергия связи на нуклон, тем меньше масса на нуклон.

Пример для нейтрона, протона и их связанных вместе в дейтерии:

м н знак равно 1.008665 ты м п знак равно 1.007276 ты м н + п знак равно 2.015941 ты м г знак равно 2.013553 ты Δ м знак равно 0,002388 ты знак равно 2.224   М е В с 2

Объяснение приведенных ниже (как бы) противоречий как-то ускользает от меня. Надеюсь, вам это очевидно:

  • почему самые легкие элементы не являются наиболее прочно связанными? Возможно, пик на железе может быть вызван геометрическим фактором - т.е. при учете трехмерных положений нуклонов средние силы между ними больше не пропорциональны просто числу нуклонов.

  • почему железо как бы нуждается в своих свойствах: наибольшая энергия на нуклон , как самый прочно связанный, самый устойчивый элемент; а с другой стороны: самая низкая энергия на нуклон , чтобы избыточная энергия выделялась при приближении к железу в реакциях деления/синтеза с любой стороны спектра атомных номеров?

Также - каково определение и объяснение дефекта массы:

  • Дефект массы - это избыточная энергия, выделяемая при синтезе / делении, и, следовательно, это разница между полной массой-энергией системы до и после реакции.

  • Дефект массы возникает из-за разного соотношения массы и энергии в атоме в зависимости от его энергии связи. Чем выше энергия связи в атоме, тем больше общей массы-энергии системы запасается в связи нуклонов и меньше в их массе - и сумма остается неизменной. Если да, то почему общая масса-энергия изменяется после реакции расщепления/слияния?

Относительно J/K: Ni-62 более прочно связан на нуклон, чем Fe-56. Это распространенное заблуждение, и оно показывает, что вы не должны использовать диаграммы, которые не различают разные изотопы, когда речь идет о ядерных процессах. Преобладание железа частично связано с распадом Ni-56. → Со-56 → Фе-56. Ni-56 является предпочтительным побочным продуктом сверхновых отчасти из-за того, что в нем содержится равное количество протонов и нейтронов (в ядерных реакциях необходимо учитывать кинетику, а также термодинамику).
@Chris: спасибо за обновление! Я не знал, что..

Ответы (2)

Чтобы понять энергию связи и дефекты массы в ядрах, нужно понять, откуда берется масса протона.

В новостях о недавнем открытии Хиггса подчеркивается, что механизм Хиггса придает массу элементарным частицам. Это верно для электронов и кварков, которые являются элементарными частицами (насколько нам теперь известно), но неверно для протонов, нейтронов или ядер. Например, протон имеет массу примерно 938 М е В с 2 , из которых масса покоя его трех валентных кварков дает только около 11 М е В с 2 ; большую часть остатка можно отнести к энергии связи квантовой хромодинамики глюонов. (Сами глюоны имеют нулевую массу покоя.) Таким образом, большая часть «энергии» из энергии массы покоя Вселенной на самом деле является энергией связи кварков внутри нуклонов.

Когда нуклоны связываются вместе, образуя ядра, именно «утечка» этой энергии связи кварков/глюонов между нуклонами определяет общую энергию связи ядра. Как вы утверждаете, электрическое отталкивание между протонами будет иметь тенденцию уменьшать эту энергию связи.

Итак, я не думаю, что можно придумать простую геометрическую модель для объяснения энергии связи ядер так, как вы пытаетесь со своим ( 1 ) через ( 15 ) правила. Например, ваши правила не учитывают различные соотношения нейтронов и протонов в атомных ядрах. Общее число нуклонов может быть таким же, как Fe 56 Fe и энергии связи будут совсем другими, чем дальше вы будете удаляться от Fe 56 Fe и тем более нестабильным будет изотоп.

Чтобы действительно понять энергию связи ядер, необходимо полностью решить квантово-механическую проблему многих тел. Это невозможно сделать точно, но можно приблизиться к этому путем многих приблизительных и численных расчетов. В 1930-х годах Бор действительно предложил модель жидкой капли, которая может давать аппроксимацию энергии связи ядер, но она не может объяснить энергии связи при магических числах, когда квантово-механические заполненные оболочки имеют существенное значение. Однако простая модель, о которой вы говорите, не способна делать осмысленные прогнозы.

РЕДАКТИРОВАТЬ: оригинальный постер разъяснил, что знак энергии связывания кажется запутанным. Надеюсь, эта картинка поможет:
.

На этом графике показано, как меняется потенциальная энергия нейтрона и протона, составляющих ядро ​​дейтерия, по мере изменения расстояния между нейтроном и протоном. Нулевое значение на вертикальной оси представляет собой потенциальную энергию, когда нейтрон и протон находятся далеко друг от друга. Поэтому, когда нейтрон и протон связаны в дейтроне, средняя потенциальная энергия будет отрицательной, поэтому энергия связи на нуклон является отрицательным числом, то есть мы можем получить энергию синтеза, взяв отдельные нейтрон и протон и объединив их в дейтрон. Обратите внимание, что энергия связи на нуклон дейтерия равна − 1.1 М е В и как это удобно вписывается в провал этой кривой потенциальной энергии.

Заявление о том, что Fe 56 Fe имеет наибольшую энергию связи на нуклон, что означает, что более легкие ядра сливаются в направлении Fe будет генерировать энергию и более тяжелые элементы, расщепляющиеся в направлении Fe будет генерировать энергию, потому что Fe основное состояние имеет наибольшую отрицательную энергию связи на нуклон. Надеюсь, это проясняет (э).

Кстати, это изображение взято из очень полезной статьи , которая также должна быть полезна для понимания этого вопроса.

Хотя вы правы в том, что это источник связи, существует проницательное и правильное первое приближение для получения кривой энергии связи из первых принципов. Это было разработано Нильсом Бором в 1930-х годах и называется «моделью капель жидкости». Он моделирует ядро ​​как жидкую каплю с зарядом, объясняет кривую связывания и предсказывает деление. Единственными серьезными отклонениями от жидкой капли являются магические числа, которые являются эффектами заполнения оболочки, но вы можете игнорировать это в первую очередь.
Привет, спасибо за ваши ценные комментарии. Да, эти правила слишком просты, чтобы учесть все тонкости ядерной энергетики. Их также слишком мало, чтобы предсказать, например, форму кривой энергии связи для каждого элемента. Я даже не пытаюсь добиться такого. Наоборот, я знаю, что они даже порождают противоречия, но что неправильно, когда они кажутся правильными? Потому что некоторые должны быть.
Я просто хочу выправить хотя бы высокоуровневую грубую структуру этой области. Главный вопрос заключается в том, почему энергия связи снижает массу элемента, если предполагается, что он хранит энергию? Разве добавление энергии в систему не должно увеличивать общее количество? Если у железа самая высокая энергия связи, то почему приближение к нему посредством ядерных реакций фактически высвобождает энергию на нуклон, а не собирает ее? Не означает ли это, что железо хранит меньше всего энергии на нуклон? Но тогда почему он самый стабильный и трудно расщепляемый? С уважением
@Pawel - я отредактировал ответ, чтобы, надеюсь, помочь вам с замешательством.
@Pawel: Энергия связи - это отрицательная энергия, количество энергии меньше энергии равного количества свободных протонов и нейтронов. Знак - это то, что вас смущает.
@FrankH: извините, есть простая геометрическая модель, объясняющая тенденции энергии связи, и это капля жидкости. Пожалуйста, исправьте это.
@RonMaimon Хорошо, я упомянул модель капли жидкости Бора.
@FrankH: Спасибо! Я думаю, что ответ действительно хорош сейчас, +1.
@Фрэнк и Рон: спасибо за обновления и диаграмму. Теперь намного яснее! С уважением

Однако прежде чем я начну, я хотел бы отметить, что в оригинальном плакате говорится о том, что некоторые из его пунктов «неверны» из-за противоречивой информации. Если вы хотите вести хорошую дискуссию об основах природы (почти чисто философскую, заметьте), лучше отказаться от абсолютов. Нет правильного или неправильного, хорошего или плохого. Забудьте о законе и думайте только о теории. До сих пор ученые в основном соглашались с тем, что самое простое (то есть самое простое для понимания) объяснение является лучшим и что ничто не сопротивляется изменениям или эволюции. Хотя, на мой взгляд, некоторые ученые в основном потоке ведут себя плохо. Большие деньги и политика — плохая среда для хорошей науки.

Хорошо, не говоря об этом, я хотел бы добавить несколько моментов о Fe 56 Fe . В одном из комментариев к вопросу говорится:

Преобладание железа частично связано с распадом Ni-56 → Co-56 → Fe-56. Ni-56 является предпочтительным побочным продуктом сверхновых отчасти из-за того, что в нем содержится равное количество протонов и нейтронов (в ядерных реакциях необходимо учитывать кинетику, а также термодинамику).

я не в курсе ни 56 ни как основной побочный продукт сверхновых, НО я знаком с теорией звездной эволюции, которая утверждает, что когда звезда начинает гореть (т.е. синтезировать) Fe 56 Fe в его ядре внезапное снижение выходной энергии, связанное с более низкой энергией связи на нуклон продукта от синтеза Fe 56 Fe приводит к структурному коллапсу звезды и, следовательно, к сверхновым. Вот источник дополнительной информации: «В: Почему железо убивает звезды?» .

Теперь, почему Fe 56 Fe имеют «самую сильную» энергию связи на нуклон? Ну, я задал этот вопрос очень знающему профессору, когда был студентом, и ответ был простым и элегантным. Физический диаметр Fe 56 Fe ядра примерно равно расстоянию, на котором может действовать сильное взаимодействие, прежде чем ЭМ начнет действовать. Это означает, что каждый нуклон (протон, нейтрон) в Fe 56 Fe «чувствует» максимальное притяжение через сильную силу из-за того, что ни один нуклон не находится «вне досягаемости» притяжения другого нуклона. Эта идея о «наполненном» сферическом расположении нуклонов в сочетании с идеей о том, что сильное взаимодействие зависит от соотношения нейтронов и протонов (что Fe 56 Fe имеет «супермагическое число» или как его там называют) создает ситуацию, когда каждый нуклон в Fe 56 Fe ядро достигает «максимальной» энергии связи (т. е. отрыва от всех других нуклонов) в соответствии с теорией.

Как объяснить E=mc2E=mc2E=mc^2 дефект массы при делении/синтезе?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v