Chapter 9: Radioactivity and Nuclear Chemistry

Back to chapter

9.4:

طاقة الربط النووية

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Nuclear Binding Energy

Previous Video
9.1: Radioactivity and Nuclear Equations

Next Video
9.5: Radioactive Decay and Radiometric Dating

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

أفضل تقييم كمي لاستقرار النواة،يكون على أساس طاقة الترابط النووي. لنتأمل ذرة الهيليوم-4،التي تحتوي على اثنين من البروتونات،والنيترونات،والإلكترونات. مجموع الكتل الذرية لهذه الجسيمات أكبر من الكتلة المُقاسة للهيليوم-4 المحايد بمقدار 0.0305 وحدة كتلة ذرية.الفرق بين الكتلة الذرية المحسوبة وتلك التي تُقاس تجريبيًا،يُسمى نقص الكتلة. كمية الطاقة الهائلة التي تنطلق أثناء تكوين الهيليوم-4،هي السبب في ذلك الفرق. يساعد تكافؤ آينشتاين بين الكتلة والطاقة،في تقدير التغير المرافق لفقدان الكتلة.بتحويل الكتلة إلى كيلوغرامات وحل المعادلة،ينتج عنه الوحدة الدولية الأساسية للجول. من الواضح أن كمية هائلة من الطاقة ترافق التغير الضئيل في الكتلة. الطاقة المنبعثة عند ترابط النويات،تساوي الطاقة اللازمة لتفكيك تلك النواة إلى مكوّناتها من البروتونات والنيوترونات،وتسمى طاقة الترابط النووي.في الهيليوم،هذه الطاقة تساوي 2.74 ترليون جول لكل مول. بالقسمة على ثابت أفوغادرو،ينتج 4.55 بيكو جول لطاقة الترابط النووي لكل نواة هيليوم. يُعبّر عن هذا غالبًا بإلكترون فولت.في الهيليوم-4،يتبين أن تلك الطاقة،تساوي 28.4 ميغا إلكترون فولت لكل نواة. عند قسمتها على عدد النويات،4،نحصل على كمية طاقة الترابط النووي لكل نويّة. مخطط طاقة الترابط النووي لكل نويّة مقابل العدد الكتلي،يصف مستويات الاستقرار النسبي للنوكليدات.العناصر التي تتراوح أعدادها الكتلية ما بين 40 و 100،تمتلك أعلى طاقة ترابط نووي لكل نويّة،ويمتلك الحديد-56 أدنى كتلة نويّة. للحصول على الاستقرار،تميل النويّات الثقيلة إلى الانقسام إلى نويّات متوسطة الحجم،عبر عملية مطلقة للطاقة تسمى الانشطار،بينما تتحد النويّات الخفيفة عبر عملية الاندماج.

9.4:

طاقة الربط النووية

يُعرف الفرق بين الكتل المحسوبة والمقاسة تجريبياً باسم خلل الكتلة للذرة. في حالة الهيليوم-4، يشير الخلل الكتلي إلى “خسارة” في الكتلة تبلغ 4.0331 amu – 4.0026 amu = 0.0305 amu. يرجع فقدان الكتلة المصاحب لتكوين ذرة من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات إلى تحويل تلك الكتلة إلى طاقة تتطور مع تشكل الذرة. تنتج الطاقة عندما ترتبط الذرات’ ببعضها البعض؛ هذه أيضًا هي الطاقة اللازمة لتكسير النواة إلى البروتونات والنيوترونات المكونة لها. تكون تغيرات الطاقة المرتبطة بالتفاعلات النووية أكبر بكثير من تلك الخاصة بالتفاعلات الكيميائية.

يمكن تحديد التحويل بين الكتلة والطاقة من خلال معادلة مكافئ الطاقة والكتلة– كما ذكر ألبرت أينشتاين: E = mc²، حيث أن E هي الطاقة، و m هي كتلة المادة التي يتم تحويلها، و c هي سرعة الضوء في الفراغ. باستخدام معادلة مكافئ الكتلة– الطاقة، يمكن حساب طاقة الارتباط النووية للنواة من خلل الكتلة. تُستخدم مجموعة متنوعة من الوحدات بشكل شائع لطاقات الربط النووي، بما في ذلك فولتات الإلكترون (eV) ، مع 1 eV يساوي كمية الطاقة اللازمة لتحريك شحنة الإلكترون عبر فرق الجهد الكهربائي 1 فولت: 1.602 × 10^–19 J.

لحساب طاقة الارتباط من خلل الكتلة، عبر أولاً عن خلل الكتلة بوحدة جم/مول. يمكن القيام بذلك بسهولة مع الوضع في الاعتبار التكافؤ العددي للكتلة الذرية (amu) والكتلة المولية (غ/مول) الناتجة عن تعريف وحدات amu و مول. وبالتالي فإن خلل الكتلة لـ He-4 هو 0.0305 غ/مول. لاستيعاب وحدات المصطلحات الأخرى في معادلة الكتلة&#8211؛ الطاقة، يجب التعبير عن الكتلة بالكيلوغرام، نظراً لأن 1 جول = 1 كغ m²/s². ينتج عن تحويل الغرامات إلى كيلوغرامات خلل كتلة يبلغ 3.05 × 10^–5 كغ/مول. ينتج عن استبدال هذه الكمية في معادلة مكافئ الطاقة–الكتلة:

يتم حساب طاقة الربط لنواة واحدة من طاقة الربط المولية باستخدام رقم أفوجادرو’:

تذكر أن 1 eV = 1.602 × 10^–19 جول. استخدام طاقة الربط المحسوبة:

يرتبط الاستقرار النسبي للنواة بطاقتها الرابطة لكل نواة، وهي طاقة الربط الكلية للنواة مقسومة على عدد النوى في النواة. على سبيل المثال، طاقة الربط لنواة الهليوم-4 هي 28.4 ميغا إلكترون فولت. لذلك فإن طاقة الربط لكل نيوكليون لنواة الهليوم -4 هي:

طاقة الربط لكل نيوكليون هي الأكبر بالنسبة للنوى التي يبلغ عدد كتلتها 56 تقريباً.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability.

Tags

Nuclear Binding Energy Nuclear Stability Helium-4 Atom Mass Defect Mass-energy Equivalence Joules Terajoules Per Mole Picojoules Electronvolts Megaelectronvolts Nucleons Comparative Stabilities Of Nuclides