Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Следовательно,

1 эв = (1,60∙10 -19)∙(1 дж/кулон) = 1,60∙10 -19дж.

Таким образом, энергия, которая обладает массой, точно такой же, как масса протона, равна

1 67∙10 -27кг = 1,50∙10 -10 дж / 1,60∙10 -19 дж/эв

Расчет на основании этих точных данных дает для энергии с массой протона значение, равное 938 Мэв .

[ Лучший метод . Метод, который использовался выше, хотя и наиболее прост для понимания, но не является наилучшим. (Заряд электрона использовался дважды, причем был скрыт тот факт, что он сокращается.) Более удачный метод следующий:

Энергия, соответствующая массе М кг, равна Мс 2, или М ∙(3,0∙10 8) 2дж.

1 эв равен

(заряд электрона, е кулон)∙(1 дж/кулон), или е дж.

Следовательно,

энергия, соответствующая массе М кг, равна

М ∙(3,0∙10 8) 2/ e эв

или

(3,0∙10 8) 2/( e/М ) эв

Пусть М — масса протона, а е — заряд электрона, е / М — отношение заряд/масса для ионов водорода, равное, как это следует из измерений в опыте по электролизу воды, 95 700 000 кулон/кг [160]. Тогда энергия, соответствующая массе, равной массе протона, составляет

(3,0∙10 8) 2/95 700 000 эв = 9,0∙10 16/9,57∙10 7 эв = 0,94∙10 9эв или 940 Мэв]

Атомные единицы массы и энергии . В настоящее время массы (относительные) выражаются в «атомных единицах массы», в которых масса О 16полагается равной 16,0000. В этой шкале единиц масса атома водорода равна 1,0081; масса протона, т. е. ядра водорода, равна 1,0081 — 1/ 1840, что составляет 1,0076. Точные измерения с помощью масс-спектрографа дают следующие значения масс в этой шкале единиц:

В этой шкале единиц энергия, соответствующая массе в 1 единицу, несколько меньше 938 Мэв, приходящихся на массу протона, и равна 938.(1,0000/1,0076), т. е. 931 Мэв.

Этот переводной множитель играет очень важную роль при расчете выделяемой атомной энергии.

ЭНЕРГИЯ 931 Мэв ОТВЕЧАЕТ 1 АТОМНОЙ ЕДИНИЦЕ МАССЫ

(в шкале единиц, в которой масса О 16равна 16,0000).

Проверка соотношения Е= mс 2для реакции деления лития .

Теперь, полагая, что 931 Мэв соответствует 1 а.е.м., можно записать массы, отвечающие кинетическим энергиям. Попробуем сделать это в случае бомбардировки лития:

РЕЗУЛЬТАТ:

1 H 1 + 3 Li 7 + (0,15) Мэв [к.э. протона] =? = 2 Не 4+ 2 Не 4+ (17) Мэв [к.э. α + α],

МАССЫ: 1,0076 + 7,0165 + (0,15/931) (мacca, соответствующая кинетической энергии, в тех же единицах);

=? = 4,0028 + 4,0028 + (17,0/931) (мacca, соответствующая кинетической энергии, в тех же единицах);

1,0076 + 7,0165 + 0,0002 =? = 4,0028 + 4,0028 + 0,0183;

ПОЛНЫЕ МАССЫ: 8,0243 =? = 8,0239.

Теперь полные массы гораздо ближе друг к другу по величине. Полная масса вещества изменилась с 8,0241 до 8,0056, т. е. уменьшилась на 0,0185. Масса, отвечающая кинетической энергии , изменилась с 0,0002 до 0,0183, т. е. на 0,0181. Это увеличение составляет 98 % от потери энергии. Различие в 2 % вполне укладывается в ту неопределенность, с которой производятся весьма сложные измерения кинетической энергии. Точному балансу должна была бы отвечать кинетическая энергия α -частиц, равная 0,0187: ее измеряемая энергия должна бы быть равной 17,4 вместо 17 Мэв. Обратите внимание на то, с какой точностью необходимо было измерить массы атомов для проведенной выше проверки соотношения Е= mс 2. Первые успехи измерений на масс-спектрографе — доказательство существования изотопов с целочисленными массовыми числами и высокая точность химического анализа — далеко превзойдены. Теперь точные измерения на нем показывают, что массы атомов не являются целыми числами, кратными величине массы водорода, или какой-нибудь другой фундаментальной единице. Всегда существует небольшое отличие, имеющее глубокий смысл, если мы верим в соотношение Е= mс 2, а мы верим в него. Проделано множество детальнейших проверок, подобных одной из первых — на литии, и все подтвердили его. Его подтверждают также странные события, в которых участвуют «позитроны» — электроны с положительным зарядом, рассмотренные в дальнейшем. Подкрепляемое теорией относительности и экспериментальными проверками, соотношение Е= mс 2используется для того, чтобы предсказать превращения энергии в других ядерных событиях. Можно даже предсказать огромное выделение энергии при распаде массивного ядра на два меньших — при делении и при объединении легких ядер в одно большое — при синтезе.

Структура ядра. Нейтрон

Прежде чем перейти к изучению свойств нейтрона, следует либо снова просмотреть задачи 20 и 21 к гл. 8 , либо попытаться решить приводимую ниже более легкую задачу 1 .