19.4: Ядерная связывающая энергия

Разница между рассчитанными и экспериментально измеренными массами известна как дефект массы атома. В случае гелия-4 дефект массы указывает на “потерю” в массе 4.0331 аму – 4.0026 аму = 0.0305 аму. Потеря массы, сопровождающая образование атома от протонов, нейтронов и электронов, обусловлена преобразованием этой массы в энергию, которая эволюционировала по мере образования атома. Энергия связывания ядерных материалов – это энергия, получаемой при связке нуклонов атомов; это также энергия, необходимая для того, чтобы разбить ядро на составные протоны и нейтроны. Энергетические изменения, связанные с ядерными реакциями, значительно больше, чем изменения, связанные с химическими реакциями.

Преобразование массы и энергии является наиболее идентично представленным уравнением эквивалентности массы и энергии, как заявил Альберт Эйнштейн: E = mc2, где E – энергия, m – масса преобразуемого вещества, а c – скорость света в вакууме. Используя это уравнение эквивалентности массы-энергии, энергия связывания ядер может быть вычислена по ее массовому дефекту. Для энергии ядерной связки обычно используются различные единицы, в том числе электровольты (EV), при этом 1 EV эквивалентно количеству энергии, необходимой для перемещения заряда электрона через разность потенциалов 1 в: 1.602 × 10^–19 J.

Для расчета энергии связывания из дефекта массы сначала выразить дефект массы в г/моль. Это легко сделать, учитывая численную эквивалентность атомной массы (аму) и молярной массы (г/моль), которая является результатом определений единиц аму и моль. Таким образом, дефект массы для HE-4 составляет 0.0305 г/моль. Для размещения единиц других терминов в уравнении массы-энергии масса должна выражен в килограммах, так как 1 Дж = 1 кг м2/с2. При преобразовании грамм в килограммы дефект массы составляет 3.05 × 10^–5 кг/моль. Подстановка этого количества в уравнение эквивалентности массы-энергии дает:

Энергия связывания для одного ядра рассчитывается на основе энергии связывания молярных элементов с помощью числа Авогадро:

Вспомните, что 1 EV = 1.602 × 10^–19 J. с использованием вычисленной энергии связывания:

Относительная стабильность ядра коррелируется с его связывающей энергией на ядро, общей энергией связывания для ядра, разделенной на количество нуклеонов в ядре. Например, энергия связывания для ядра гелия-4 составляет 28.4 МэВ. Таким образом, энергия связывания на нуклон для ядра гелия-4:

Энергия связывания на нуклеон является самой большой для нуклидов с массой около 56.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.1: Ядерная структура и стабильность.