19.4: Energia wiązania jądrowego

Różnica między obliczonymi a zmierzonymi doświadczalnie masami jest znana jako defekt masy atomu. W przypadku helu-4 defekt masy wskazuje na “ubytek” masy 4,0331 amu – 4,0026 amu = 0,0305 amu. Utrata masy towarzysząca powstaniu atomu z protonów, neutronów i elektronów jest spowodowana konwersją tej masy w energię, która ewoluuje w miarę formowania się atomu. Energia wiązania jądrowego to energia wytwarzana, gdy nukleony atomów są ze sobą związane; Jest to również energia potrzebna do rozbicia jądra na składowe protony i neutrony. Zmiany energii związane z reakcjami jądrowymi są znacznie większe niż w przypadku reakcji chemicznych.

Konwersja między masą a energią jest najbardziej rozpoznawalna w równaniu równoważności masy i energii, jak stwierdził Albert Einstein: E = mc², gdzie E to energia, m to masa przekształcanej materii, a c to prędkość światła w próżni. Korzystając z tego równania równoważności masy-energii, można obliczyć energię wiązania jądra na podstawie jego defektu masy. Do energii wiązania jądrowego powszechnie stosuje się różne jednostki, w tym elektronowolty (eV), przy czym 1 eV równa się ilości energii niezbędnej do przemieszczenia ładunku elektronu przez różnicę potencjałów elektrycznych 1 wolta: 1,602 × 10^–19 J.

Aby obliczyć energię wiązania z defektu masy, najpierw wyraź defekt masy w g/mol. Można to łatwo zrobić, biorąc pod uwagę liczbową równoważność masy atomowej (amu) i masy molowej (g/mol), która wynika z definicji jednostek amu i mol. Wada masy dla He-4 wynosi zatem 0,0305 g/mol. Aby uwzględnić jednostki pozostałych składników w równaniu masa-energia, masa musi być wyrażona w kilogramach, ponieważ 1 J = 1 kg m²/s². Przeliczenie gramów na kilogramy daje defekt masy wynoszący 3,05 × 10^–5 kg/mol. Podstawienie tej wielkości do równania równoważności masy i energii otrzymuje:

Energia wiązania dla pojedynczego jądra jest obliczana na podstawie energii wiązania molowego za pomocą liczby Avogadro:

Przypomnijmy, że 1 eV = 1,602 × 10^–19 J. Korzystając z obliczonej energii wiązania:

Względna stabilność jądra jest skorelowana z jego energią wiązania na nukleon, całkowitą energią wiązania jądra podzieloną przez liczbę nukleonów w jądrze. Na przykład energia wiązania jądra helu-4 wynosi 28,4 MeV. Energia wiązania na nukleon dla jądra helu-4 wynosi zatem:

Energia wiązania na nukleon jest największa dla nuklidów o liczbie masowej około 56.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.1: Struktura jądrowa i stabilność.