19.4
ההבדל בין המסה המחושבת למסה הנמדדת בניסוי ידוע כפגם המסה של האטום. במקרה של הליום-4, הפגם המסתי מצביע על "הפסד" במסה של 4.0331 אמו - 4.0026 אמו = 0.03…
יציבות גרעינית מכומתת בצורה הטובה ביותר במונחים של אנרגיית קשר גרעינית. חשבו על אטום הליום-4, שיש לו שני פרוטונים, שני ניטרונים ושני אלקטרונים. סך כל המסות הידועות של החלקיקים הללו גדול מהמסה שנמדדה להליום-4 ניטרלי, שהיא 0.0305 יחידות מסה אטומיות.
ההפרש בין יחידות המסה האטומיות בחישוב ובניסוי נקרא פער המסה. כמות האנרגיה הגדולה המשוחררת בהיווצרות הליום-4 היא הסיבה להפרש זה. שקילות מסה-אנרגיה של איינשטיין עוזרת להעריך את שינוי האנרגיה הקשור באובדן מסה.
התוצאה של המרת המסה לקילוגרמים ופתרון המשוואה היא ביחידות הבסיס SI לג'ול. ניכר כי כמות עצומה של אנרגיה מלווה את השינוי הזעיר במסה. האנרגיה המשוחררת כשהגרעינים נקשרים זה לזה זהה לאנרגיה הנדרשת כדי לפרק את הגרעינים הללו לפרוטונים ולניטרונים המרכיבים אותם, ונקראת אנרגיית הקשר הגרעינית.
בהליום מדובר ב-2.74 טרה-ג'ול למול. חילוק במספר אבוגדרו שווה ל-4.55 פיקוג'ול כאנרגיית הקשירה הגרעינית של גרעין הליום. לעיתים קרובות זה מבוטא גם באלקטרון וולט.
בהליום 4, התוצאה מתבררת כ-28.5 מגה אלקטרון וולט לגרעין. כשמחלקים במספר הנוקלאונים, 4, מקבלים את אנרגיית הקשי הגרעינית של כל נוקלאון. התרשים של אנרגיית קשר גרעינית לנוקלאון מול מספר מסה מתאר את היציבויות ההשוואתיות של הנוקלידים.
היסודות עם מספרי מסה הנעים בין 40 ל-100 הם בעלי אנרגיית הקשר הגבוהה ביותר לנוקלאן, ולברזל-56 יש את המסה הנמוכה ביותר לנוקלאון. כדי להגיע ליציבות, גרעינים כבדים נוטים להתפורר לגרעינים בגודל בינוני באמצעות תהליך אקסותרמי הנקרא ביקוע, בעוד שגרעינים קלים יותר משתלבים באמצעות תהליך היתוך.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.