19.4: 核结合能

计算质量和实验测量质量之间的差异被称为原子质量缺陷。 对于氦 -4 ，质量缺陷表明质量“损失”为 4.0331 amu – 4.0026 amu = 0.0305 amu。 质子，中子和电子形成原子所导致的质量损失是由于该质量转换为能量 (随着原子形成而演变) 所致。 核结合能是原子核的核粒子结合在一起时产生的能量；这也是将核分解成其组成质子和中子所需的能量。 与核反应相关的能量变化在很大程度上是大于，而化学反应则是。

质量和能量之间的转换最能用阿尔伯特 · 爱因斯坦所述的质量 - 能量当量方程来表示： E = mc² ，其中 E 是能量， m 是要转换的物质的质量， c 是真空中的光速。 使用这种质量 - 能量当量方程，核的核结合能可以根据其质量缺陷来计算。 核电结合能通常使用多种装置，包括电子电压 (EV) ，其中 1 个 EV 相当于能量的数量，这是在 1 伏电势差 1.602 × 10^-19 J 下移动电子电荷所必需的

要根据质量缺陷计算结合能，首先以克 / 摩尔表示质量缺陷。 考虑到 amu 和摩尔单位定义所产生的原子质量 (摩尔质量) 和 amu (g/mol) 的数值对等性，可以很容易地完成此操作。 因此， He-4 的质量缺陷为 0.0305 克 / 摩尔。 要在质量 - 能量方程中容纳其他术语的单位，质量必须以千克为单位，因为 1 J = 1 千克 m²。将克转化为公斤会产生 3.05 × 10^-5 kg/mol 的质量缺陷。 将该数量替换为质量 - 能量当量方程会产生：

单核的结合能由摩尔结合能使用阿伏伽德罗编号进行计算：

请记住， 1 EV = 1.602 × 10 ^{– 19} J。 使用计算的结合能：

一个核的相对稳定性与其每个核的结合能相关联，该核的总结合能除以核中的核素数。 例如，氦 -4 核的结合能为 28.4 MeV。 因此，氦 -4 核的每核结合能为：

对于核素，每核的结合能最大，质量约为 56。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 21.1 节：核结构和稳定性。

核稳定性最好用 核结合能来量化。考虑氦-4 原子，它有 两个质子、两个中子和两个电子。这些粒子已知质量的总和 比中性氦-4 的测量质量 大 0.0305 个原子质量单位。计算得出的原子质量与实验测量的原子质量 之间的差异称为质量亏损。氦-4 在形成过程中 释放出大量能量 是造成这种差异的原因。爱因斯坦的质能方程有助于估算 与质量损失相关的能量变化。把质量换算成千克，然后求解这个方程，结果以基本国际标准单位焦耳表示。显而易见，巨大的能量 伴随着微小的质量变化。核子结合在一起时所释放的能量 与把原子核分解成质子和中子 所需的能量相同，称为核结合能。对于氦，核结合能为每摩尔 2.74 万亿焦耳。除以阿伏伽德罗数，得到的 核结合能为每个氦核 4.55 皮焦耳。这也经常用电子伏来表示。对于氦-4，这相当于 每个原子核 28.4 兆电子伏。除以核子数 4，得到每个核子的核结合能。每个核子的核结合能 与质量数的关系图描述了 核素的相对稳定性。质量数在 40-100 之间的元素 的每核子结合能最高，铁-56 的每核子质量最低。为了获得稳定性，重核 倾向于通过称为裂变的 放热过程分裂为中型核，而轻核则通过聚变过程结合在一起。