Difetto di massa: la massa mancante

Pesa con molta attenzione un atomo di elio-4 e poi pesa separatamente i suoi componenti. Scoprirai che la loro somma non torna.

Usando le masse atomiche, che mantengono gli elettroni da entrambe le parti, così si annullano:

• 2 atomi di idrogeno-1 (2 protoni + 2 elettroni): 2 × 1,007825 u = 2,015650 u
• 2 neutroni: 2 × 1,008665 u = 2,017330 u
• Totale: 4,032980 u
• Massa misurata di un atomo di elio-4: 4,002603 u

La differenza, 0,030378 u, è il difetto di massa. Il nucleo assemblato è più leggero dei suoi componenti.

Dov’è finita la massa? La relazione di Einstein E = mc² dice che massa ed energia sono due facce della stessa cosa. Se un sistema cede energia, la sua massa diminuisce di E/c². Quando due protoni e due neutroni si uniscono formando un nucleo di elio, rilasciano energia (sotto forma di raggi gamma e movimento) e il nucleo che rimane pesa meno di quella quantità.

Il fattore di conversione è utile da ricordare: 1 u di massa corrisponde a 931,494 MeV di energia (scritto 931,494 MeV/c²). Quindi

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

Questa è l’energia di legame dell’elio-4. È esattamente l’energia che dovresti fornire per separare il nucleo nei suoi nucleoni liberi. Divisa per 4 nucleoni, è 7,07 MeV per nucleone, il numero che chiamiamo B/A. Un B/A più alto significa un nucleo più fortemente legato.

Controllo della scala. Un elettronvolt (eV) è l’energia di un elettrone che attraversa un volt, mentre un megaelettronvolt (MeV) equivale a un milione di elettronvolt. In chimica, bruciare un atomo di carbonio in presenza di ossigeno libera circa 4 eV. Formare un nucleo di elio-4 libera 28 milioni di eV. L’energia nucleare per atomo è milioni di volte maggiore dell’energia chimica per atomo, ed è proprio questo il motivo per cui il combustibile nucleare è così concentrato.

Nelle unità di uso quotidiano, 1 grammo di massa convertito completamente in energia corrisponderebbe a circa 9 × 10¹³ J, una quantità sufficiente a far funzionare una casa per circa duemila anni. Nella realtà nessun processo converte completamente un grammo di materia, ma questo mostra il significato del fattore c².