Defekt mase

Jedna od mogućih nuklearnih fisijskih lančanih reakcija: 1. atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisioni fragmenti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV), što prestavlja u ovom slučaju defekt mase. 2. jedan od tih neutrona bude uhvaćen od atoma uranija-238 i ne nastavlja reakciju. Drugi neutron napušta sustav bez da bude uhvaćen. Ipak, jedan od neutrona se sudara s novim atomom uranija-235, koji se raspada na dva nova atoma (fisioni fragmenti), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV), što je opet defekt mase. 3. dva se neutrona sudaraju s dva atoma uranija-235 i svaki se raspada i nastavlja reakciju.

Nuklearna reakcija u kojoj deuterij bombardira litij-6, a nastaju dvije alfa-čestice (protoni su prestavljeni crvenim kuglicama, a neutroni plavim kuglicama). Količina energije koja je oslobođena iznosi 22,4 MeV (defekt mase).

Nuklearna energija vezanja po nukleonu za neke izotope.

Defekt mase ili gubitak mase je gubitak mase prilikom prelaska sustava u niže energetsko stanje zbog emisije energije iz sustava. Defekt mase u skladu je s Einsteinovim zakonom o ekvivalentnosti mase i energije (1905.):

[math]\displaystyle{ E = m \cdot c^2 }[/math]

pri čemu je:

• E = energija jednakovrijedna (ekvivalentna) masi (u džulima)
• m = masa (u kilogramima), i
• c = brzina svjetlosti u vakuumu (u metrima po sekundi).

Iako je defekt mase općenita pojava kod svih izmjena energije, tim se pojmom obično označuje manjak mase atoma prema ukupnoj masi u njemu sadržanih nezavisnih protona, neutrona i elektrona; taj manjak potječe od gubitka energije potrebne za međusobno vezanje nukleona u atomskoj jezgri, a iznosi približno do 1% mase atoma. Kako je nuklearna energija vezanja po jednom nukleonu različita za pojedine jezgre, pri pretvorbi kemijskih elemenata potrebno je dovesti energiju izvana, ali i osloboditi energiju iz jezgre, ovisno o vrsti atoma. Energija vezanja po nukleonu raste, uz kolebanja, od deuterija do jezgara relativne atomske mase oko 60, a zatim dalje opada kod težih elemenata. Zbog toga je moguće dobiti energiju pri razbijanju najtežih elemenata (nuklearna fisija), a također i pri spajanju najlakših elemenata (nuklearna fuzija). Budući da je defekt mase posljedica emisije energije iz sustava, povratak u početno stanje moguć je samo ako sustav apsorbira istu količinu energije.

Na primjer relativna atomska masa deuterija (2,01410 u ili unificirane jedinice atomske mase) manja je od zbroja masa protona (1,00728 u), neutrona (1,00866 u) i elektrona (0,00055 u) za 0,00238 u. Kako je (prema Einsteinovoj jednadžbi) unificirana atomska jedinica mase jednakovrijedna (ekvivalentna) 931,16 MeV, prilikom vezanja sporih neutrona s vodikom u deuterij emitira se u obliku gama zračenja energija od 2,225 MeV (= 0,00239 × 931,16 MeV). Mjerenja na obrnutom procesu, apsorpciji gama zračenja u deuteriju, pokazuju da se i za razbijanje deuterija utroši 2,225 MeV od apsorbirane energije. Iste pojave u zamršenijem obliku postoje i u složenijim atomima.

Nuklearna energija

Podrobniji članak o temi: Nuklearna energija

Nuklearna energija ili atomska energija je energija koja se oslobađa ili troši u spontanim (radioaktivnost) ili izazvanim nuklearnim pretvorbama (nuklearna reakcija).

Nuklearna reakcija

Podrobniji članak o temi: Nuklearna reakcija

Nuklearna reakcija nastaje sudarom dviju atomskih jezgara ili sudarom atomske jezgre s nekom česticom, na primjer s neutronom, a proizvodi takve reakcije mogu biti nove jezgre i čestice. Za sudar atomske jezgre X s elementarnom česticom A, uz nastajanje jezgre Y i emisiju čestice B, prema zakonu o održanju mase i energije vrijedi:

[math]\displaystyle{ m_X \cdot c^2 + m_A \cdot c^2 + E_{{kp}} = m_Y \cdot c^2 + m_B \cdot c^2 + E_{{kk}} }[/math]

gdje su: m - mase jezgara i čestica, E_kp i E_kk početna i konačna kinetička energija, a c - brzina svjetlosti. Ako je E_kk veće od E_kp, reakcijom se oslobađa energija, što je moguće samo na račun dijela mase koji se pretvara u energiju (defekt mase). Energije koje se oslobađaju nuklearnim pretvorbama veće su i milijun puta od onih koje se oslobađaju u kemijskim reakcijama.

Nuklearna energija vezanja

Podrobniji članak o temi: Nuklearna energija vezanja

Nuklearna energija vezanja je energija koja drži nukleone (protone i neutrone) na okupu u atomskoj jezgri. Ta energija ima različite vrijednosti za različite jezgre, a raste s porastom atomskog broja (Z). Zbog takve razlike u energiji vezanja, neke su jezgre nestabilne i raspadaju se, pretvarajući se u druge stabilnije jezgre. Učestalost raspada je povezana uz vrijeme poluraspada, koje se određuje kao vrijeme koje je potrebno da se raspadne polovica jezgri nekog uzorka. Vrijeme poluraspada različitih jezgri može imati vrijednosti između dijelića sekunde pa sve do nekoliko milijardi godina.

Nuklearna energija vezanja (oznaka E_v ili E_B) je energija koju je potrebno uložiti kako bi se jezgra atoma rastavila na protone i neutrone. Što je jezgra stabilnija, nuklearna energija vezanja je veća. Izračunana pomoću Einsteinove relacije, koja povezuje energiju i masu, nuklearna energija vezanja jezgre od Z protona i N neutrona iznosi:

[math]\displaystyle{ E_\mathrm{B} = \Delta m \cdot c^2 }[/math]

[math]\displaystyle{ \Delta m = Z \, m_\mathrm{p} + N \, m_\mathrm{N} - m_\mathrm{Z,N} \, }[/math]

gdje je: m_p - masa protona, m_n - masa neutrona, m (Z, N) - masa jezgre (atomski broj), c - brzina svjetlosti u vakuumu, a Δm - defekt mase. Mjerna jedinica nuklearne energije vezanja jest megaelektronvolt (MeV).

Nuklearna energija vezanja po nukleonu brzo raste u području lakih elemenata i sve do tvari koje imaju atomsku masu oko 60, gdje iznosi oko 9 MeV. Nakon toga dolazi do pada vrijednosti, da bi za uranij bila oko 7 MeV. Između atomskih masa 1 i 20 primjećuje se izlomljenost krivulje, s oštrim prijelazima između najmanjih i najvećih vrijednosti. Najmanje vrijednosti u tom području imaju litij-6 i bor-10, jer sadrže neparan broj protona i neutrona. Najveće vrijednosti u tom području imaju helij-4, ugljik-12 i kisik-16, koji imaju paran broj nukleona. Možemo zaključiti da stabilnost atomske jezgre ovisi i o tome da li ima paran ili neparan broj nukleona. Vidljivo je da među lakim atomskim jezgrama, atomska jezgra helija-4 (alfa-čestica) ima najveću nuklearnu energiju vezanja po nukleonu, pa možemo zaključiti da alfa-čestice imaju vrlo stabilnu atomsku jezgru.