19.4
Energia de Ligação Nuclear
A diferença entre as massas calculadas e medidas experimentalmente é conhecida como defeito de massa do átomo. No caso do hélio-4, o defeito de massa…
A estabilidade nuclear é melhor quantificada em termos de energia nuclear de ligação. Consideremos o átomo de hélio-4, que tem dois prótons, dois nêutrons e dois eletróns. A soma das massas conhecidas destas partículas é maior do que a massa medida de hélio-4 neutro por 0, 0305 unidades de massa atómica.
A diferença entre as massas atómicas calculadas e medidas experimentalmente é chamada de defeito de massa. A grande quantidade de energia libertada durante a formação de hélio-4 é a razão para esta diferença. A massa de Einstein equivalência da energia ajuda a estimar a alteração energética associada à perda em massa.
A conversão da massa em quilogramas e resolver a equação resulta nas unidades base SI para joules. É evidente que uma enorme quantidade de energia acompanha a pequena alteração na massa. A energia libertada quando os núcleos se ligam entre si é a mesma que a energia necessária para quebrar esse núcleo nos seus prótons e nêutrons constituintes e é chamada de energia de ligação nuclear.
Para o hélio, isto é 2, 74 terajoules por mol. Dividindo pelo número de Avogadro dá 4, 55 picojoules para a energia nuclear de ligação por núcleo de hélio. Isto é frequentemente expresso também em eletróns-volts.
Para o hélio-4, isto acontece ser de 28, 4 eletróns-volts por núcleo. Quando dividido pelo número de núcleos, 4, isto produz a energia nuclear de ligação por nucleo. A trama da energia nuclear de ligação por nucleão versus o número de massa representa as estabilidades comparativas dos nuclídeos.
Os elementos com números de massa que vão de 40 a 100 têm uma energia de ligação mais alta por nucleo, e o ferro-56 tem a massa menor por nucleo. Para alcançar a estabilidade, os núcleos pesados tendem a fragmentar-se em núcleos de tamanho médio através de um processo exotérmico chamado fissão, enquanto os núcleos mais leves combinam-se através do processo de fusão.
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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.