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계산된 질량과 실험적으로 측정된 질량의 차이를 원자의 질량 결손이라고 합니다. 헬륨-4의 경우 질량 결함은 4.0331 amu - 4.0026 amu = 0.0305 amu의 질량 "손실"을 나타냅니다. 양성자, 중성자, 전자로부터 원자가 형성될 때 발생하는 질량 손실…
핵 안정성은 핵 결합 에너지 관점에서 볼 때 가장 잘 정량화되었습니다. 양성자와 중성자, 그리고 전자가 각각 두 개씩 있는 헬륨-4 원자를 생각해 보세요. 이런 입자들에 대해 알려진 질량의 합계는 중성 헬륨-4의 측정된 질량 x 0.0305 원자 질량 단위보다 큽니다.
계산된 원자 질량과 실험적으로 측정된 원자 질량의 차이를 질량 결손이라고 합니다. 헬륨-4가 생성되는 동안 방출되는 많은 양의 에너지가 이러한 차이의 원인입니다. 아인슈타인의 질량-에너지 동등성을 통해 질량 결손과 관련된 에너지 변화를 추정할 수 있습니다.
질량을 킬로그램으로 변환하고 방정식을 풀면 줄에 대한 기본 SI 단위가 됩니다. 엄청난 양의 에너지가 질량의 작은 변화를 동반한다는 것은 명백합니다. 핵자가 서로 결합할 때 방출되는 에너지는 핵을 구성 양성자와 중성자로 분해하는 데 필요한 에너지와 동일하며 이것을 핵 결합 에너지라고 불립니다.
헬륨의 경우 이 에너지는 몰 당 2.74 테라줄입니다. 아보가드로의 수로 나누면 헬륨핵 당 핵 결합 에너지 값으로 4.55 피코줄의 값이 나옵니다. 이는 종종 전자볼트로도 표현됩니다.
헬륨-4의 경우 핵당 28.4 메가 전자 볼트입니다. 핵의 수 4로 나누면 핵당 핵 결합 에너지를 도출합니다. 핵당 핵 결합 에너지 대 질량 수 그래프는 핵의 비교 안정성을 나타냅니다.
질량수가 40에서 100에 이르는 원소는 핵당 결합 에너지가 가장 높고, 철-56은 핵당 질량이 가장 낮습니다. 안정성을 얻기 위해 무거운 핵은 핵분열이라고 불리는 발열 과정을 통해 중간 핵으로 분해되는 경향이 있는 반면 가벼운 핵은 핵융합 과정을 통해 결합하는 경향이 있습니다.
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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.