Энергия связи ядра определяется как энергия, необходимая для разложения атомного ядра на отдельные нуклоны. Она характеризует устойчивость ядра и является ключевым параметром при анализе энергетики ядерных реакций. Энергия связи (E_b) связана с массой ядра (M) через массу нуклонов (Z m_p + N m_n) по соотношению:
[ E_b = c^2]
где (Z) — число протонов, (N) — число нейтронов, (m_p) и (m_n) — массы протона и нейтрона соответственно, (c) — скорость света. Значение энергии связи на нуклон позволяет определить, какие ядра более устойчивы: максимум достигается у ядер с (A ) (железо и никель).
Ядерные реакции делятся на несколько основных типов в зависимости от изменения массы и состава ядер:
[ Q = E_b() - E_b()]
Реакции слияния (термоядерные реакции) — объединение лёгких ядер в более тяжёлое. Процесс сопровождается выделением огромной энергии, что связано с ростом энергии связи на нуклон при увеличении массового числа у лёгких элементов.
Реакции захвата и испускания частиц — ядро захватывает нейтрон, протон или альфа-частицу, после чего может испустить гамма-квант или другую частицу. Энергия реакции определяется массовым дефектом и выражается через (Q)-значение.
Энергия реакции (Q) является разностью полной энергии связи продуктов и исходных частиц:
[ Q = ( m_{} - m_{} ) c^2]
Пример: деление урана-235 под действием нейтрона:
[ {}^{235} + n ^{141} + {}^{92} + 3n + 200 ]
Энергия реакции распределяется между кинетической энергией фрагментов, энергией нейтронов и гамма-излучением.
Кинетическая энергия продуктов ядерной реакции определяется как часть высвободившейся энергии (Q), превращённая в движение:
[ E_k = ]
Распределение энергии зависит от массы и направления вылета частиц. В реакциях деления тяжёлых ядер большая часть энергии концентрируется в кинетике фрагментов, меньшая — в нейтронах и гамма-излучении.
Энергетика ядерных процессов тесно связана с кривой энергии связи на нуклон. Для лёгких ядер ((A < 56)) энергия связи на нуклон растёт с увеличением (A), что делает реакции слияния экзотермическими. Для тяжёлых ядер ((A > 56)) энергия связи на нуклон уменьшается с ростом (A), что обеспечивает энергию деления.
Энергетический выход ядерных реакций измеряется в МэВ на одно событие или в Джоулях на моль вещества. Для практических расчётов используют конверсии: 1 атомная единица массы ((1)) соответствует (931.5).
Эффективность преобразования массы в энергию определяется отношением выделившейся энергии (E) к исходной массе (m):
[ = ]
Для деления урана-235 (%), для термоядерных реакций дейтерий-тритий (%).
Распределение энергии частиц после реакции формирует энергетический спектр, который характеризует скорость и направление вылета. В реакции деления он имеет широкий диапазон для нейтронов (от тепловых до быстрых) и узкий для массивных фрагментов.
Энергетика ядерных реакций лежит в основе работы атомных электростанций, термоядерных установок, радиохимического синтеза изотопов. Расчёт энергетического баланса обеспечивает проектирование реакторов, определение теплоотдачи и безопасности эксплуатации.
Сравнение энергии связи на нуклон различных изотопов позволяет предсказывать возможные реакции спонтанного распада. Ядра с низкой энергией связи относительно соседних нуклидов склонны к α- или β-распаду, что также учитывается при расчётах радиохимических процессов и накопления изотопов.
Энергетика ядерных реакций формирует фундаментальную основу радиохимии, определяя условия синтеза, распада и трансмутаций атомных ядер.