Вимірювання маси ядер за допомогою мас-спектрометрів (приладів для розділення іонізованих атомів або молекул по їх масам при пропущенні пучків іонів через електричні і магнітні поля) дозволило встановити, що маса атомного ядра не дорівнює сумі мас спокою входять до нього окремих нуклонів, а дещо менше її. Це обумовлено тим, що нуклони в ядрі сильно пов'язані між собою за рахунок ядерних сил. Щоб розділити ядро на окремі протони і нейтрони, потрібно затратити певну енергію, яка називається енергією зв'язку ядра.
Енергія зв'язку ядра визначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро на складові його нуклони без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така енергія, яку потрібно затратити при розщепленні ядра на складові його нуклони.
Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що становлять ядро, і їх енергією в ядрі.
Використовуючи формулу Ейнштейна. отримуємо вираз для енергії зв'язку ядра:
Тут. - відповідно маси спокою протона, нейтрона і ядра атома. Оскільки зазвичай експериментально визначаються маси не ядер, а атомів, які наведені в таблицях, формулу (22.3) для енергії зв'язку можна перетворити в вираз:
де - маса атома водню; - маса атома відповідного елемента. У цій формулі маса електронів, яка входить в перший доданок. компенсується масою електронів, що утворюють разом з ядром атом масою.
Вирази (22.3) і (22.4) дозволяють отримати практично однакові значення енергії зв'язку ядра. Величина. визначальна енергію зв'язку ядра. називається дефектом мас. Дефект массихарактерізует зменшення сумарної маси при утворенні ядра з складових його нуклонів. При практичному обчисленні # 916; m маси всіх частинок і атомів виражаються в атомних одиницях маси (а.е.м.). Однією атомної одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (a.e.е.): 1 а.е.е. = 931,5016 МеВ.
Енергія зв'язку, віднесена до одного нуклони, тобто повна енергія зв'язку, поділена на число нуклонів в ядрі, називається питомою енергією зв'язку:
На малюнку 22.1 показана залежність питомої енергії зв'язку для різних ядер від масового числа А. характеризує різну міцність зв'язків нуклонів в ядрах різних хімічних елементів. З малюнка видно, що енергія зв'язку зі збільшенням А спочатку зростає, а потім утворює практично горизонтальну ділянку при А> 40, а при А> 100 повільно зменшується; це означає, що стійкими з енергійно точки зору є ядра з масовими числами А, мають значення приблизно від 50 до 80, для яких питома енергія зв'язку приймає найбільше значення. Ядра елементів в середній частині періодичної системи найбільш міцні. У цих ядрах близька до 8,7 МеВ / нуклон. У міру збільшення числа нуклонів в ядрі питома енергія зв'язку убуває.
Ядра атомів хімічних елементів, розташованих в кінці періодичної системи (наприклад, ядро урану), мають ≈ 7,6 МеВ / нуклон. Це пояснює можливість виділення енергії при розподілі важких ядер. В області малих масових чисел є гострі «піки» питомої енергії зв'язку. Максимуми характерні для ядер з парними числами протонів і нейтронів (;;), мінімуми - для ядер з непарними числами протонів і нейтронів (;;).
Для легких ядер (водень, літій) енергетично вигідним є процес їх злиття, тобто синтез більш легких ядер; для важких ядер (уран, плутоній) в певних умовах може бути процес ділення. Ці процеси практично використовуються при реалізації реакцій термоядерного синтезу і в ядерних реакціях поділу.
Дані про енергію зв'язку ядер дозволили встановити деякі закономірності будови атомних ядер.
Критерієм стійкості атомних ядерявляется співвідношення між числом протонів і нейтронів в стійкому ядрі. При малих і середніх значеннях А числа нейтронів і протонів в стійких ядрах приблизно однакові: Z ≈ А - Z. З ростом Z сили кулонівського відштовхування протонів ростуть пропорційно Z · (Z - 1)
Z 2 (парне взаємодія протонів), і для компенсації цього відштовхування ядерним тяжінням число нейтронів має зростати швидше числа протонів.