19.4
Hesaplanan ve deneysel olarak ölçülen kütleler arasındaki fark, atomun kütle eksikliği olarak bilinir. Helyum-4 durumunda, kütle eksikliği 4,0331 amu…
Nükleer stabilite, en iyi nükleer bağlama enerjisi açısından ölçülür. İkişer proton, nötron ve elektron içeren helyum-4 atomunu düşünün. Bu parçacıkların bilinen kütlelerinin toplamı, ölçülen nötr helyum-4 kütlesinden 0, 0305 atomik kütle biriminden daha büyüktür.
Hesaplanan ve deneysel olarak ölçülen atomik kütleler arasındaki farka kütle kusuru denir. Helyum-4 oluşumu sırasında açığa çıkan büyük miktardaki enerji bu farkın sebebidir. Einstein'ın kütle-enerji denkliği, kütle kaybı ile ilişkili enerji değişimini tahmin etmeye yardımcı olur.
Kütlenin kilograma çevrilmesi ve denklemin çözülmesi, joule için temel SI birimlerini verir. Açıktır ki, kütledeki küçük değişime muazzam miktarda enerji eşlik eder. Nükleonlar birbirine bağlandığında açığa çıkan enerji, o çekirdeği oluşturan protonlara ve nötronlara kırmak için gereken enerji ile aynıdır ve nükleer bağlama enerjisi olarak adlandırılır.
Helyum için bu, mol başına 2, 74 terajul'dir. Avogadro'nun sayısına bölündüğünde, helyum çekirdeği başına nükleer bağlanma enerjisi için 4, 55 kilojul verir. Bu genellikle elektron Volt olarak da ifade edilir.
Helyum-4 için bu, çekirdek başına 28, 4 megaelektron Volttur. Nükleon sayısı 4'e bölündüğünde, bu, nükleon başına nükleer bağlanma enerjisini verir. Kütle sayısına karşı nükleon başına nükleer bağlanma enerjisi grafiği, çekirdeklerin karşılaştırmalı kararlılıklarını gösterir.
Kütleli elemanlar 40 ile 100 arasında değişen sayılar nükleon başına en yüksek bağlanma enerjisine sahiptir ve demir-56, nükleon başına en düşük kütleye sahiptir. Kararlılığa ulaşmak için ağır çekirdekler, fisyon adı verilen ekzotermik bir işlemle orta büyüklükteki çekirdekleri parçalama eğilimindeyken, daha hafif çekirdekler füzyon işlemi yoluyla birleşir.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.