Massedefekt: den manglende masse

Vej et helium-4-atom meget omhyggeligt, og vej derefter dets bestanddele separat. Du vil opdage, at de ikke giver den samme masse.

Ved hjælp af atomare masser, hvor elektronerne er med på begge sider, så de går ud med hinanden:

• 2 hydrogen-1-atomer (2 protoner + 2 elektroner): 2 × 1,007825 u = 2,015650 u
• 2 neutroner: 2 × 1,008665 u = 2,017330 u
• I alt: 4,032980 u
• Målt masse af ét helium-4-atom: 4,002603 u

Forskellen, 0,030378 u, er massedefekten. Den samlede kerne er lettere end bestanddelene.

Hvor blev massen af? Einsteins relation E = mc² siger, at masse og energi er to flader af den samme ting. Hvis et system afgiver energi, falder dets masse med E/c². Når to protoner og to neutroner bindes sammen til en heliumkerne, frigiver de energi (som gammastråler og bevægelse), og den kerne, der bliver tilbage, vejer mindre med denne mængde.

Omregningsfaktoren er nyttig at huske: 1 u of mass corresponds to 931,494 MeV of energy (skrevet 931,494 MeV/c²). Så

0,030378 u × 931,494 MeV/u ≈ 28,3 MeV.

Det er bindingsenergien for helium-4. Det er præcis den energi, du skulle tilføre for at splitte kernen op i frie nukleoner. Divideret med 4 nukleoner er den 7,07 MeV per nucleon, det tal, vi kalder B/A. En højere B/A betyder en stærkere bundet kerne.

Skalatjek. En elektronvolt (eV) er den energi, som én elektron får ved at bevæge sig gennem én volt, og en megaelektronvolt (MeV) er en million af dem. I kemi frigiver afbrænding af ét kulstofatom i ilt omkring 4 eV. Dannelsen af én helium-4-kerne frigiver 28 million eV. Kerneenergi pr. atom er millioner af gange større end kemisk energi pr. atom, og netop dette er grunden til, at nukleart brændstof er så koncentreret.

I hverdagsenheder ville 1 gram masse, der blev omdannet fuldstændigt til energi, svare til omkring 9 × 10¹³ J, nok til at drive en husstand i cirka to tusind år. I virkeligheden omdanner ingen proces et gram stof fuldstændigt, men det viser, hvad faktoren c² betyder.