Почему ядро ​​атома железа такое стабильное?

Более легкие ядра выделяют энергию при слиянии, более тяжелые ядра - при делении.

Что такого в ядре атома железа, что делает его таким стабильным?

В качестве альтернативы: у железа наибольшая энергия связи ядер — но почему?

Это самая большая энергия связи ядер на нуклон . Принципиальная разница. Кроме того, именно никель (просто) побеждает в этом конкретном соревновании, а не железо.

Ответы (3)

Все сводится к балансу между рядом различных физических взаимодействий.

Энергия связи ядра обычно описывается полуэмпирической массовой формулой :

Е ( А , Z ) знак равно а В А − а С А 2 / 3 − а С Z ( Z − 1 ) А 1 / 3 − а А ( А − 2 Z ) 2 А + дельта ( А , Z )

куда А знак равно Z + Н - общее число нуклонов, Z количество протонов и Н количество нейтронов.

Различные вклады имеют физическое объяснение как:

  1. а В : объемный термин, чем больше объем, тем больше нуклонов взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия, тем больше они притягиваются друг к другу
  2. а С : поверхностный термин, аналогичный поверхностному натяжению, в нем хранится некоторая энергия, уменьшающая связывающее взаимодействие
  3. а С : кулоновское отталкивание протонов внутри ядра
  4. а А : термин асимметрии, основанный на принципе исключения Паули. По сути, если имеется больше нуклонов одного типа (обычно нейтронов), то общая энергия больше, чем необходимо, что уменьшает энергию связи (примечание: А − 2 Z знак равно Z − Н )
  5. дельта : член спаривания, зависит от того, четное или нечетное количество нуклонов в целом и четное или нечетное количество протонов/нейтронов. В эмпирическом описании обычно моделируется как непрерывная переменная а п / А 1 / 2 .

Это выражение для полной энергии связи, что интересно, энергия связи на нуклон как мера стабильности:

Е ( А , Z ) / А ≈ а В − а С 1 А 1 / 3 − а С Z ( Z − 1 ) А 4 / 3 − а А ( А − 2 Z ) 2 А 2 + а п 1 А 3 / 2

Чтобы увидеть, какое ядро ​​(какое значение А ) является наиболее устойчивым, необходимо найти, для которого А является ли эта функция максимальной. В этот момент Z произвольно, но мы должны выбрать физически значимое значение. С теоретической точки зрения хорошим выбором является Z что дает наибольшую энергию связи для данного А (наиболее стабильный изотоп), для которого нужно решить решить ∂ ( Е / А ) ∂ Z знак равно 0 . Результаты Z с т а б л е ( А ) ≈ 1 2 А 1 + А 2 / 3 а С 4 а А . После того, как вернул Z с т а б л е ( А ) в Е ( А , Z ) / А можно максимизировать значение функции, чтобы получить «оптимальное количество» нуклонов для наиболее стабильного элемента. В зависимости от эмпирически определенных значений а С , а С , а А , а п максимум будет в области А ≈ 58 … 63 .

Интерпретация этого результата примерно такая:

  • для малых атомов (маленьких А ) самый большой вклад вносит поверхностный член (у них большое отношение поверхности к объему), и они хотят увеличить количество нуклонов, чтобы уменьшить его — следовательно, у вас есть термоядерный синтез
  • для крупных атомов (большой А ) кулоновский член увеличивается, потому что большее количество протонов означает большее отталкивание между ними, а также, чтобы удержать все вместе, требуется больше нейтронов (таким образом Н ≫ Z что также увеличивает член асимметрии . Испуская некоторые нуклоны (альфа-распад) или превращаясь между нейтронами и протонами (бета-распад), ядро ​​может уменьшить эти условия.
  • оптимально связанный А (а также Z ) происходит, когда эти две группы конкурирующих вкладов уравновешивают друг друга.
Поправьте меня, если я ошибаюсь, но разве наши познания в КХД недостаточны, чтобы вывести что-то вроде членов этой формулы? Я нахожу это захватывающим.
Как следует из названия: это «полуэмпирическая» формула, т.е. некоторые идеи исходят из теории, некоторые параметры из эксперимента. Модель в значительной степени получена в соответствии с описанием ядра «жидкая капля», и если вы проверите ссылку выше, некоторые коэффициенты ( а В , а С , а А в частности) имеют очень хорошие теоретически предсказанные значения. В конце, конечно же, они сверяются с экспериментом и на основе данных подбираются коэффициенты. Если есть расхождения или более продвинутая теория, модель модифицируется/будет изменена.
Простите мою дерзость, но не является ли частью того, как термины определены в SEMF, разработанном таким образом, что Fe-56 является максимально стабильным ядром? Разве использование его для ответа на этот вопрос не является довольно круговым?
@Landak У тебя всегда есть круги - мы не знаем основных правил вселенной. Вы наблюдаете какой-то эффект, строите теорию, объясняющую наблюдение, смотрите, согласуются ли продвинутые предсказания вашей теории с реальностью, вот и все. Но нет нулевой точки, от которой можно было бы строить, как в математике. Наблюдение всегда является отправной точкой. Циркулярный метод подходит, если вы не считаете одно и то же свидетельство дважды — к чему ученые относятся очень осторожно. Наблюдения в будущем делают вашу модель более или менее уверенной и при этом влияют на все зависимые модели по очереди.

В связи ядер преобладают 2 основные силы - сильное ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие намного сильнее электромагнитного взаимодействия, но действует на гораздо более коротких расстояниях.

Для небольших ядер (например, водорода и гелия), если вы можете добавить больше нуклонов, они, скорее всего, прилипнут из-за притяжения сильного взаимодействия. Вот почему более мелкие ядра склонны сливаться друг с другом. Склеивание частиц вместе приводит к конфигурации с более низкой энергией, поэтому она более стабильна.

Для более крупных ядер размер ядра означает, что частицы с одной стороны не испытывают сильного силового притяжения от частиц с другой стороны, но они все же испытывают электромагнитное отталкивание (если они заряжены, т.е. протоны). Это означает, что более крупные ядра менее стабильны и могут образовывать конфигурации с более низкой энергией, разделяясь на более мелкие части (деление).

Железо находится в средней точке с точки зрения размера ядра, где добавление или удаление частиц приведет к конфигурации с более высокой энергией, и поэтому оно считается наиболее стабильным ядром.

Я люблю простые для понимания ответы, которые заставляют меня чувствовать себя умнее ;-).

В некотором смысле ядро ​​гелия (Не-4) более стабильно, чем ядро ​​железа. Для отрыва любой частицы от ядра гелия требуется около 20 МэВ. Но достаточно около 10 МэВ, чтобы оторвать нуклон от ядра железа.

Конечно, чтобы отделить одно ядро, требуется такая большая энергия, поскольку кривая энергии явно способствует добавлению большего количества ядер, а не их удалению. Это ничего не говорит о стабильности. Если вместо того, чтобы убирать, вы хотите добавить больше ядер, то есть ваш He-синтез (в Be-8), который очень экзотермичен. С другой стороны, из железа не происходит ядерной реакции, вырабатывающей энергию.
@ Грег, синтез гелия в Бе-8 не экзотермичен. Be-8 нестабилен, он распадается на He-4 с энергией 0,1 МэВ.
мой плохой, действительно Бе-8 - небольшой барьер, но еще один Не-4 и получающийся в результате С-12 (а позже по цепочке более тяжелые элементы) действительно производят энергию. Первоначальный комментарий все еще остается в силе: He-4 может быть локальным максимумом на кривой энергии связи (из-за высоких затрат энергии на удаление нуклонов, а также дополнительных затрат энергии из-за закрытых оболочек нуклонов), но железо все еще остается более стабильный.
@greg: добавление свободных нейтронов или протонов к железу генерирует энергию, а добавление альфа-частиц - нет.
@RonMaimon Исходя из сложных одномерных структур пространства (см. это, пожалуйста, после следующей ссылки) я написал махая рукой О распределении магнитных моментов электронов в атомах . Выходит, что железо имеет более симметричное распределение электронов, чем другие элементы, кроме нобелевских газов.
@RonMaimon Поскольку последний комментарий больше не редактируется: согласно моей разработке, не железо, атом хрома высокосимметричен.
Почему ядро ​​атома железа такое стабильное?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v