Энергия, излучаемая звездами, выделяется в ходе термоядерных реакций, идущих в их центрах. Ключевую роль в образовании энергии при этом играет дефект масс. Рассмотрим это понятие более подробно.
Следовательно, внутри ядра существуют некоторые силы, более мощные, чем кулоновские силы отталкивания. Эти силы называют ядерными силами. Их природа отличается как от природы электрических сил, так и от природы гравитационных. Взаимодействие, которым они обеспечиваются, называется Сильным, поскольку это самые мощные силы в Природе.
Особенность Сильного взаимодействия в том, что оно короткодействующее. Ядерные силы действуют лишь на коротких расстояниях, не превышающих размеров атомных ядер. Происходит это потому, что, в отличие от кулоновских сил, передаваемых безмассовыми фотонами, переносчики Сильного взаимодействия имеют массу. Они действуют на протоны и нейтроны (общее название – нуклоны), удерживая их на близком расстоянии в ядрах атомов.
Энергия связи. Дефект масс.
Для расщепления ядра на отдельные нуклоны требуется затратить энергию, которая называется энергией связи ядра. Количественная теория ядерных сил в настоящее время не разработана, однако, энергию связи можно оценить, исходя из формулы связи массы и энергии:
$$Е=mc^2$$
Прямые измерения показывают, что для легких элементов масса покоя ядра всегда меньше, чем массы покоя входящих в него частиц:
$$М_я < Zm_p + (A-Z)m_n,$$
где:
- $М_я$ – масса покоя ядра;
- $m_p$ – масса покоя протона;
- $m_n$ – масса покоя нейтрона;
- $Z$ – число протонов в ядре (порядковый номер элемента);
- $А$ – общее число нуклонов в ядре (массовое число)
Разница между массой ядра и входящих в него нуклонов называется дефектом массы ядра. Формулу дефекта массы можно записать следующим образом:
$$ΔМ = Zm_p+(A-Z)m_n -М_я$$
Для легких элементов дефект масс положителен, ядро оказывается легче, чем входящие в него частицы. Для тяжелых элементов это не так, ядерных сил едва хватает, чтобы удерживать вместе большое число протонов, и поэтому ядра с большими порядковыми номерами самопроизвольно распадаются с выделением энергии. Для «цементирования» атомного ядра можно было бы добавить в ядро нейтроны, которые не обладают зарядом, однако, нейтроны также нестабильны, и распадаются на протон и электрон.
Дефект масс при образовании ядра выделяется в виде γ-квантов с энергией:
$$Е_{св}=ΔМc^2 = (Zm_p+(A-Z)m_n -М_я)c^2$$
Именно благодаря дефекту масс ядерное оружие обладает такой огромной разрушительной силой. При взрыве термоядерной бомбы протекает реакция образования гелия из дейтерия и трития. При образовании каждого грамма гелия выделяется энергия порядка $4.5×10^{11}$ Дж. Этой энергии хватит, чтобы нагреть от нуля до кипения более 1000 тонн воды !
Что мы узнали?
Протоны и нейтроны в ядрах удерживаются силами ядерного взаимодействия. Это самые мощные силы в Природе. Масса легкого ядра, как правило, меньше суммы масс отдельных входящих в него частиц. Разница в массе называется дефектом массы ядра. При образовании ядра дефект массы выделяется в виде энергии. Именно эта энергия поддерживает «горение» звезд, именно эта энергия выделяется при ядерных взрывах.
