Номер 3, страница 234 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 57. Ядерные силы - номер 3, страница 234.

Условие.

3. Что называют энергией связи? Почему каждому химическому элементу соответствует своя энергия связи?

Решение.

Что называют энергией связи?

Энергией связи атомного ядра называют минимальную энергию, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на составляющие его отдельные нуклоны (протоны и нейтроны). Эквивалентно, это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов.

Причиной возникновения энергии связи является так называемый дефект масс ($ \Delta m $). Экспериментально установлено, что масса любого ядра ($M_я$) всегда меньше суммы масс составляющих его протонов ($m_p$) и нейтронов ($m_n$) в свободном состоянии. Эта разница масс и есть дефект масс:

$ \Delta m = (Z \cdot m_p + N \cdot m_n) - M_я $,

где $\text{Z}$ — число протонов, а $\text{N}$ — число нейтронов в ядре.

Согласно соотношению эквивалентности массы и энергии Эйнштейна, этот дефект массы соответствует энергии, выделившейся при образовании ядра. Эта энергия и является энергией связи:

$ E_{св} = \Delta m \cdot c^2 = ((Z \cdot m_p + N \cdot m_n) - M_я) \cdot c^2 $,

где $\text{c}$ — скорость света в вакууме. Чем больше энергия связи в расчете на один нуклон (удельная энергия связи), тем более устойчивым является ядро.

Ответ: Энергия связи — это энергия, равная работе, которую нужно совершить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны. Она возникает из-за дефекта масс — уменьшения массы системы при объединении нуклонов в ядро, и рассчитывается по формуле Эйнштейна $E_{св} = \Delta m \cdot c^2$.

Почему каждому химическому элементу соответствует своя энергия связи?

Каждый химический элемент уникален и определяется числом протонов ($\text{Z}$) в ядре его атома. Атомы одного элемента, имеющие разное число нейтронов ($\text{N}$), называются изотопами. Конкретный вид атомного ядра, характеризуемый определённым числом протонов $\text{Z}$ и нейтронов $\text{N}$, называется нуклидом.

Как следует из формулы для энергии связи, её величина напрямую зависит от состава ядра (количества протонов $\text{Z}$ и нейтронов $\text{N}$) и от массы самого ядра $M_я$. Поскольку каждый нуклид (т.е. ядро каждого конкретного изотопа) имеет свою уникальную комбинацию протонов и нейтронов, это приводит к уникальному значению дефекта масс $ \Delta m $ для этого ядра. Различные сочетания нуклонов приводят к разной силе их взаимодействия (сильное взаимодействие и кулоновское отталкивание протонов), что и отражается в итоговой массе ядра $M_я$.

Таким образом, поскольку у каждого нуклида свой уникальный состав, то и значение его дефекта масс, а следовательно, и энергии связи, будет уникальным. Даже для разных изотопов одного и того же химического элемента (у которых одинаковое $\text{Z}$, но разное $\text{N}$) энергия связи будет различной. Поэтому каждому конкретному изотопу каждого химического элемента соответствует свое, строго определенное значение энергии связи.

Ответ: Каждому химическому элементу (и даже каждому его изотопу) соответствует своя энергия связи, потому что каждый вид ядра (нуклид) имеет уникальный состав — определённое число протонов и нейтронов. Этот уникальный состав определяет уникальную величину дефекта масс и, как следствие, уникальное значение энергии, которая связывает нуклоны в ядре.