Ορισμός και τύπος ελαττώματος μάζας

Μαζικό ελάττωμα είναι η διαφορά μεταξύ της μάζας ενός ατόμου και του αθροίσματος των μαζών των σωματιδίων του. Η ενέργεια δέσμευσης που συγκρατεί τον ατομικό πυρήνα μαζί ευθύνεται για τη διαφορά μάζας. Με άλλα λόγια, μέρος της ύλης μετατρέπεται σε ενέργεια όταν σχηματίζεται ένας ατομικός πυρήνας, αλλά το άθροισμα της μάζας και της ενέργειας του ατόμου παραμένει σταθερό (διατήρηση μάζας και ενέργειας).

Για παράδειγμα, η μάζα ενός ατόμου ηλίου είναι 4,00260 amu, ενώ η μάζα των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων στο άτομο είναι 4,03298 amu. Με άλλα λόγια, από ένα άτομο ηλίου λείπει περίπου το 0,8% της μάζας των μερών του.

Μαζικό έλλειμμα είναι ένα άλλο όνομα για μαζικό ελάττωμα.

Τύπος μαζικού ελαττώματος

Το ελάττωμα μάζας είναι απλώς η διαφορά μεταξύ του αθροίσματος των μαζών των πρωτονίων (1,007825 amu), των νετρονίων (1,008665 amu) και των ηλεκτρονίων (0,00054858 amu) και της πραγματικής μάζας ενός ατόμου. Όμως, η μάζα των ηλεκτρονίων είναι αμελητέα σε σύγκριση με τη μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων, επομένως παραλείπονται.

ελάττωμα μάζας =(μάζα πρωτόνια + νετρόνια μάζας) – ατομική μάζα

Για παράδειγμα, το ισότοπο σίδηρος-56 περιέχει 26 πρωτόνια, 26 ηλεκτρόνια και 30 νετρόνια. Η πειραματική ατομική μάζα του σιδήρου-56 είναι 55,934938 amu. Βρείτε το μαζικό ελάττωμα.

ελάττωμα μάζας =26 (πρωτόνια μάζας) + 30 (νετρόνια μάζας) – ατομική μάζα
ελάττωμα μάζας =(26)(1,007825 amu) + 30(1,008665 amu) – 55,934938 amu =0,528462 amu

Τώρα, ας υπολογίσουμε την πυρηνική δεσμευτική ενέργεια…

Πυρηνική Ενέργεια Δέσμευσης

Η πυρηνική ενέργεια δέσμευσης είναι η ενέργεια που απαιτείται για να χωριστεί ένας ατομικός πυρήνας στα συστατικά πρωτόνια και νετρόνια. Είναι η ενέργεια που ισοδυναμεί με το ελάττωμα μάζας. Το 1905, ο Albert Einstein περιέγραψε το ελάττωμα μάζας και το εξήγησε χρησιμοποιώντας τον διάσημο τύπο του που σχετίζεται με την ενέργεια, τη μάζα και την ταχύτητα του φωτός:

E =mc

Έτσι, η μείωση της μάζας ενός ατόμου ισούται με την ενέργεια που εκπέμπεται όταν σχηματίζεται το άτομο, διαιρούμενη με c. Αυτό βγαίνει σε περίπου 931 MeV/amu.

Στο παράδειγμα iron-56, το ελάττωμα μάζας ήταν 0,528462 amu. Η πυρηνική ενέργεια δέσμευσης του σιδήρου-56 είναι επομένως 0,528462 x 931 MeV/amu =492 MeV. Υπάρχουν 56 νουκλεόνια στο σίδηρο-56, επομένως η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο είναι 492 MeV/56 νουκλεόνια =8,79 MeV/νουκλεόνιο.

Πώς λειτουργεί το μαζικό ελάττωμα

Η μάζα και η ενέργεια είναι σαν τις δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Στα άτομα και τα μόρια, το ένα μετατρέπεται στο άλλο όλη την ώρα. Η διατήρηση της μάζας και της ενέργειας σημαίνει ότι το άθροισμά τους παραμένει αμετάβλητο.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια κολλάνε μεταξύ τους σε έναν ατομικό πυρήνα λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Η ισχυρή δύναμη δρα σε μικρή απόσταση, ξεπερνώντας την ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των όμοιων φορτίων των πρωτονίων στον πυρήνα. Το ελάττωμα μάζας είναι πολλή ενέργεια σε μικρά άτομα, αλλά πραγματικά αθροίζεται σε μεγάλα άτομα. Για παράδειγμα, η πυρηνική ενέργεια δέσμευσης για το ουράνιο-238 είναι 1800 MeV ή 7,57 MeV/νουκλεόνιο.

Η ισχυρή δύναμη επηρεάζει μόνο σωματίδια το ένα κοντά στο άλλο. Ο πυρήνας ενός ατόμου όπως το ουράνιο, για παράδειγμα, είναι τόσο μεγάλος που η ηλεκτροστατική απώθηση έχει μεγαλύτερη επίδραση στα νουκλεόνια κοντά στην άκρη του πυρήνα. Αυτό οδηγεί σε έναν ασταθή πυρήνα που είναι ευαίσθητος σε σχάση ή ραδιενεργό διάσπαση. Όταν ένα άτομο ουρανίου υφίσταται σχάση, ένα μέρος της δεσμευτικής ενέργειας απελευθερώνεται. Είναι πολύ ενέργειας.

Ομοίως, όταν τα άτομα σχηματίζουν χημικούς δεσμούς και δημιουργούν μόρια, απελευθερώνεται ενέργεια. Τα μόρια απορροφούν ενέργεια για να σπάσουν τους χημικούς δεσμούς. Ενώ υπάρχει ελάττωμα μάζας, η διαφορά μάζας/ενέργειας δεν είναι τόσο μεγάλη επειδή οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια και όχι πρωτόνια ή νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ, πολύ μικρότερη μάζα από τα νουκλεόνια. Είναι ακόμα ένα σημαντικό ποσό ενέργειας. Για παράδειγμα, το σπάσιμο των δεσμών αζώτου-αζώτου στις ενώσεις απελευθερώνει πολλή θερμότητα και συνήθως οδηγεί σε έκρηξη.

Αναφορές

• Αθανασόπουλος, Σταύρος; Schauer, Franz; et al. (2019). «Ποια είναι η Ενέργεια Δέσμευσης μιας Καταστάσεως Μεταφοράς Φορτίου σε ένα Οργανικό Ηλιακό Κύτταρο;». Προηγμένα ενεργειακά υλικά . 9 (24):1900814. doi:10.1002/aenm.201900814
• Lilley, J.S. (2006). Πυρηνική Φυσική:Αρχές και Εφαρμογές (Επαν. με διορθώσεις Ιαν. 2006. εκδ.). Chichester:J. Wiley. ISBN 0-471-97936-8.
• Pourshahian, Soheil (2017). "Ελαττώματα μάζας από την πυρηνική φυσική στην ανάλυση φάσματος μάζας." Journal of The American Society for Mass Spectrometry . 28 (9):1836–1843. doi:10.1007/s13361-017-1741-9