Energia wiązania jądrowego

Stabilność jądrową najlepiej określić ilościowo w kategoriach energii wiązania jądrowego.

Weźmy pod uwagę atom helu-4, który ma po dwa protony, neutrony i elektrony. Suma znanych mas tych cząstek jest większa od zmierzonej masy neutralnego helu-4 o 0,0305 jednostki masy atomowej.

Różnica między obliczonymi a zmierzonymi doświadczalnie masami atomowymi nazywana jest wadą masy. Przyczyną tej różnicy jest duża ilość energii uwalnianej podczas powstawania helu-4.

Równoważność masy i energii Einsteina pomaga oszacować zmianę energii związaną z utratą masy. Przeliczenie masy na kilogramy i rozwiązanie równania daje w wyniku podstawowe jednostki SI dla dżuli. Jest rzeczą oczywistą, że tej maleńkiej zmianie masy towarzyszy ogromna ilość energii.

Energia uwalniana, gdy nukleony wiążą się ze sobą, jest taka sama, jak energia potrzebna do rozbicia tego jądra na składowe protony i neutrony i nazywa się ją energią wiązania jądrowego. W przypadku helu jest to 2,74 teradżuli na mol.

Dzielenie przez liczbę Avogadro daje 4,55 pikojula dla energii wiązania jądrowego na jądro helu. Jest to również często wyrażane w elektronowoltach. W przypadku helu-4 okazuje się, że jest to 28,4 megaelektronowoltów na jądro. Po podzieleniu przez liczbę nukleonów, 4, daje to energię wiązania jądrowego na nukleon

.

Wykres energii wiązania jądra na nukleon w funkcji liczby masowej przedstawia porównawczą stabilność nuklidów. Pierwiastki o liczbie masowej od 40 do 100 mają najwyższą energię wiązania na nukleon, a żelazo-56 ma najniższą masę na nukleon

.

Aby osiągnąć stabilność, ciężkie jądra mają tendencję do fragmentacji do jąder średniej wielkości w procesie egzotermicznym zwanym rozszczepieniem, podczas gdy lżejsze jądra łączą się w procesie fuzji