Energia wiązania jądra

Wzór sformułowany przez Einsteina, opisujący równoważność masy i energii:

E=m?c²

pozwala obliczyć, ile energii można uzyskać z danej masy (E: energia; m: masa; c: prędkość światła w próżni). W przypadku jądra helu, obliczony deficyt masy m = 0,050444 ∙ 10^-27 kg jest to równoważne energii E = 0,4536 ∙ 10^-11 J = 28,3 MeV (eV: elektronowolt, 1 eV = 1,602 ∙ 10^-19 J). Taka ilość energii została oddana podczas powstawania jądra. Dla każdego pojedynczego nukleonu energia wiązania wynosi wtedy E = 28,3 MeV : 4 ≈ 7,1 MeV.

Im większy deficyt masy podczas powstawania jądra, tym silniejsze wiązania między nukleonami. Dlatego ta energia zwana jest również energią wiązania. Dokładne pomiary wykazały, że energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w jądrach poszczególnych izotopów jest różna. Na rysunku przedstawiono energię wiązania przypadającą na jeden nukleon.

Rys. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w MeV w zależności od liczby masowej jądra atomowego, źródło: Encyklopedia Britannica

Pomijając bardzo lekkie jądra atomowe, energia wiązania przypadająca na jeden nukleon waha się między 7 MeV i prawie 9 MeV. Średnia energia wiązania nukleonu osiąga najwyższą wartość w przypadku jąder o liczbie masowej wynoszącej od 40 do 100, a w przypadku lżejszych i cięższych jąder zmniejsza się. To, że wiązanie nukleonów w ciężkich jądrach jest mniej trwałe, wynika z tego, że wprawdzie w przypadku większej liczby masowej siły jądrowe działają intensywniej, ale za to tylko pomiędzy cząstkami sąsiadującymi ze sobą. Elektromagnetyczne siły odpychania między protonami mają większy zasięg niż przyciągające siły jądrowe i działają między wszystkimi protonami jednocześnie, oraz są tym bardziej intensywne im większa jest liczba protonów w jądrze. Wskutek tego wiązania między nukleonami osłabiają się.

Wykorzystanie energii wiązania jądra

Zasadniczo mamy więc do dyspozycji dwie możliwości wykorzystania energii wiązania jądra:

1. Bardzo lekkie jądra, na przykład ciężki wodór – deuter H-2 i najcięższy izotop wodoru - tryt H-3 łączą się ze sobą. W wyniku takiej reakcji powstaje neutron i jądro atomu helu, które ma większą niż tryt i deuter energię wiązania liczoną na jeden nukleon – czyli innymi słowami: łączna masa obu początkowych jąder – deuteru (2,01355 u) i trytu (3,01550 u) jest większa od sumy mas neutronu (1,0086650 u) i jądra helu He-4 (4,001506 u) o ok. 17,6 MeV. Przytoczona reakcja jest przykładem reakcji syntezy lekkich jąder i tak właśnie funkcjonuje wyzwalanie energii we wnętrzu Słońca.

2. Ciężkie jądra rozszczepiają się na dwa jądra średnio ciężkie. Ponieważ energia wiązania przypadająca na nukleon w jądrach średnio ciężkich jest większa niż w jądrach bardzo ciężkich, również w tym wypadku następuje wyzwalanie energii. Ta zasada wykorzystywana jest w elektrowniach jądrowych, zwanych w niektórych krajach zwyczajowo, ale dalece nieściśle - „elektrowniami atomowymi”.

---

Uwalniając energię atomową, nasze pokolenie dokonało najbardziej epokowego odkrycia od czasu wynalezienia ognia.