19.4
Energia di legame nucleare
La differenza tra le masse calcolate e quelle misurate sperimentalmente è nota come difetto di massa dell'atomo. Nel caso dell’elio-4, il difetto di m…
La stabilità nucleare è quantificata meglio in termini di energia di legame nucleare. Consideriamo l'atomo di elio-4, che ha due protoni, neutroni ed elettroni ciascuno. La somma delle masse conosciute di queste particelle è maggiore della massa misurata di elio-4 neutro di 0, 0305 unità di massa atomica.
La differenza fra le masse atomiche calcolate e misurate sperimentalmente è detta difetto di massa. Il grande quantitativo di energia rilasciato durante la formazione dell'elio-4 è la ragione di questa differenza. L'equivalenza massa-energia di Einstein aiuta a stimare il cambiamento di energia associato alla perdita di massa.
Convertendo la massa in chilogrammi e risolvendo l'equazione, si ottengono le unità SI di base per i joule. È evidente che un'enorme quantità di energia accompagna il piccolo cambiamento di massa. L'energia rilasciata quando i i nucleoni si legano insieme è uguale all'energia necessaria per rompere quel nucleo nei suoi protoni e neutroni costituenti, ed è detta energia di legame nucleare.
Per l'elio, questo è 2, 74 terajoule per mole. Dividendo per il numero di Avogadro si ottengono 4, 55 picojoule per l'energia di legame nucleare per nucleo di elio. Questo è spesso espresso anche in elettronvolt.
Per l'elio-4, questo risulta essere 28, 4 megaelettronvolt per nucleo. Quando diviso per il numero di nucleoni, 4, questo produce l'energia di legame nucleare per nucleone. Il grafico dell'energia di legame nucleare per nucleone, rispetto al numero di massa, descrive le stabilità comparative dei nuclidi.
Gli elementi con un numero di massa compreso fra 40 e 100 hanno la più alta energia di legame per nucleone, e il ferro-56 ha la massa più bassa per nucleone. Per raggiungere la stabilità, i nuclei pesanti tendono a frammentarsi a nuclei di medie dimensioni attraverso un processo esotermico detto fissione, mentre i nuclei più leggeri si combinano attraverso il processo di fusione.
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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.