19.4
Énergie de liaison nucléaire
La différence entre les masses calculées et celles mesurées expérimentalement est connue sous le nom du défaut de masse de l'atome. Dans le cas de l'h…
La stabilité nucléaire est mieux quantifiée en termes d'énergie nucléaire contraignante. Considérez l'atome d'hélium-4, qui possède deux protons, deux neutrons et deux électrons. La somme des masses connues de ces particules est supérieure à la masse mesurée d'hélium-4 neutre par 0, 0305 unités de masse atomique.
La différence entre les masses atomiques calculées et mesurées expérimentalement sont appelées le défaut de masse. La grande quantité d'énergie libérée pendant la formation d'hélium-4 est la raison de cette différence. L'équivalence masse-énergie d'Einstein permet d'estimer le changement d'énergie associé à la perte de masse.
En convertissant la masse en kilogrammes et en résolvant l'équation, on obtient les unités SI de base pour les joules. Il est évident qu'une énorme quantité d'énergie accompagne le petit changement de masse. L'énergie libérée lorsque les nucléons se lient entre eux est la même que l'énergie nécessaire pour briser ce noyau en ses constituants, protons et neutrons, et est appelée énergie de liaison nucléaire.
Pour l'hélium, c'est 2, 74 térajoules par mole. En divisant par le nombre d'Avogadro, on obtient 4, 55 picojoules pour l'énergie de liaison nucléaire par noyau d'hélium. On l'exprime aussi souvent en électronvolts.
Pour l'hélium-4, il s'agit de 28, 4 mégaélectronvolts par noyau. Lorsqu'il est divisé par le nombre de nucléons, 4, cela donne l'énergie de liaison nucléaire par nucléon. Le graphe de l'énergie de liaison nucléaire en fonction du nombre de masse illustre les stabilités comparées des nucléides.
Les éléments avec des nombres de masse allant de 40 à 100 ont la plus haute énergie de liaison par nucléon, et le fer 56 a la masse la plus faible par nucléon. Pour atteindre la stabilité, noyaux lourds passent par un processus exothermique par un processus exothermique appelé fission, tandis que les noyaux plus légers se combinent par le processus de fusion.
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Q1: What is mass defect and why does it occur in atoms?
Mass defect is the difference between the calculated sum of individual particle masses and the experimentally measured atomic mass. In helium-4, this difference is 0.0305 atomic mass units. The mass defect occurs because mass converts to energy during nucleus formation, as described by Einstein's mass-energy equivalence equation E = mc².
Q2: How is nuclear binding energy calculated from mass defect?
Nuclear binding energy is calculated by converting the mass defect to kilograms and applying Einstein's equation E = mc², where c is the speed of light. For helium-4, the mass defect of 0.0305 grams per mole converts to 3.05 × 10⁻⁵ kilograms per mole, yielding a binding energy of 2.74 terajoules per mole.
Q3: What does binding energy per nucleon tell us about nuclear stability?
Binding energy per nucleon measures the average energy holding each nucleon in the nucleus and indicates relative nuclear stability. Elements with mass numbers between 40 and 100 have the highest binding energy per nucleon, with iron-56 being most stable. Higher binding energy per nucleon correlates with greater nuclear stability.
Q4: Why are electronvolts commonly used to express nuclear binding energy?
Electronvolts (eV) are convenient units for nuclear binding energy because they represent the energy scale of nuclear processes. One electronvolt equals 1.602 × 10⁻¹⁹ joules. Helium-4's binding energy of 28.4 megaelectronvolts per nucleus is more practical to express in eV than in joules.
Q5: How do heavy and light nuclei achieve stability differently?
Heavy nuclei achieve stability through nuclear fission, fragmenting into midsize nuclei in an exothermic process. Lighter nuclei achieve stability through nuclear fusion, combining to form larger nuclei. Both processes release energy because midsize nuclei have the highest binding energy per nucleon.
Q6: What is the relationship between mass and energy in nuclear reactions?
Nuclear reactions convert mass directly into energy through Einstein's mass-energy equivalence, E = mc². The energy changes in nuclear reactions are vastly greater than in chemical reactions because even tiny mass changes produce enormous energy. This principle explains why nuclear binding energy is so substantial compared to chemical bond energies.
Q7: How do you convert binding energy from molar to per-nucleus values?
Binding energy per nucleus is calculated by dividing the molar binding energy by Avogadro's number (6.022 × 10²³). For helium-4, the molar binding energy of 2.74 terajoules per mole divided by Avogadro's number yields 4.55 picojoules per nucleus, or 28.4 megaelectronvolts per nucleus.