Как вы знаете, ядра атомов состоят из нуклонов, связанных ядерными силами (см. § 15-в). Несмотря на то что они «короткодействующие», для разделения ядра на отдельные нуклоны нужно совершить работу. Энергия, равная этой работе, в физике имеет собственное название – энергия связи ядра атома. Как её можно рассчитать?
Во второй четверти XX века экспериментально выяснили, что суммарная масса отдельных нуклонов больше, чем масса образованного ими ядра. Например, масса ядра азота-14 составляет 14,003 а.е.м., при этом общая масса всех его нуклонов – 14,115 а.е.м., то есть существует дефект масс – их разница в 0,112 а.е.м.
Этот факт объяснила знаменитая формула А. Эйнштейна о возможности взаимных превращений массы и энергии излучения. Применение этой формулы к ядерным процессам показало, что энергия связи нуклонов пропорциональна возникающему при их слиянии в ядро дефекту масс:
 | Eсв – энергия связи частиц ядра, Дж Dm – разность масс нуклонов и ядра, кг с – скорость света в вакууме, ≈ 3·108 м/с |
Например, для ядра атома изотопа азота-14 вычисления дают значение:
( 0,112 · 1,7 · 10-27 кг ) × ( 3 · 108 м/с )2 = 1,7 · 10-11 Дж
Именно такая работа должна быть совершена внешними силами, чтобы разделить ядро азота-14 на отдельные нуклоны.
Как вы уже знаете (см. §15-г), существуют ядерные реакции, в которых ядра делятся на «осколки» – группы нуклонов, являющиеся ядрами более лёгких элементов. Такие реакции могут идти с выделением энергии. Так, при распаде ядра урана-235 осколками могут являться ядра бария и криптона, ксенона и стронция, цезия и рубидия. Например:
В этой реакции выделяется 3,3 · 10-11 Дж энергии на каждый распавшийся атом. Казалось бы, это очень малая энергия. Однако в любом теле число атомов огромно, поэтому при распаде ядер в 1 грамме изотопа урана-235 выделится энергия, в 30000 раз большая, чем при сгорании 1 грамма угля.
Если общая масса всех частиц после реакции меньше, чем до неё, значит, реакция протекала с выделением энергии (например, как в реакции распада урана-235), и наоборот. То есть возможны ядерные реакции, требующие затрат энергии для их протекания.
С выделением энергии могут идти не только реакции распада, но и реакции синтеза некоторых, как правило, лёгких ядер. Например, образование гелия из водорода:
Для такой реакции ядра водорода (а это, по сути, одноимённо заряженные отталкивающиеся протоны) нужно сблизить на расстояние около 10-13 м. Для этого они должны обладать очень большой кинетической энергией. Это достигается только при очень высокой температуре, как, например, в недрах Солнца и звёзд. Поэтому такая реакция называется термоядерной.
Важной характеристикой конкретного ядра является его удельная энергия связи, показывающая долю энергии связи всего ядра, приходящуюся на один нуклон (см. график). Чем она больше, тем прочнее атомное ядро. Для относительно лёгких ядер с ростом массового числа удельная энергия их связи возрастает от 1,76·10-13 Дж – у ядра дейтерия (это один из изотопов водорода) до 14,08·10-13 Дж – у изотопа железа-54. Далее удельная энергия связи ослабевает. Наиболее прочны ядра химических элементов, массовые числа которых находятся в диапазоне от 40 до 100.