Дефект массы: недостающая масса

Очень точно взвесь атом гелия-4, а затем отдельно взвесь его части. Ты обнаружишь, что их массы не складываются.

Используя атомные массы, в которых электроны остаются с обеих сторон и поэтому взаимно сокращаются:

• 2 атома водорода-1 (2 протона + 2 электрона): 2 × 1,007825 u = 2,015650 u
• 2 нейтрона: 2 × 1,008665 u = 2,017330 u
• Всего: 4,032980 u
• Измеренная масса одного атома гелия-4: 4,002603 u

Разница, 0,030378 u, — это дефект массы. Собранное ядро легче составляющих его частиц.

Куда делась масса? Соотношение Эйнштейна E = mc² говорит, что масса и энергия — это две стороны одного и того же. Если система отдаёт энергию, её масса уменьшается на E/c². Когда два протона и два нейтрона объединяются в ядро гелия, они выделяют энергию (в виде гамма-излучения и движения), и оставшееся ядро становится легче на эту величину.

Коэффициент пересчёта удобно запомнить: 1 u массы соответствует 931,494 MeV энергии (записывается как 931,494 MeV/c²). Значит,

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

Это энергия связи гелия-4. Ровно столько энергии нужно было бы затратить, чтобы разделить ядро на свободные нуклоны. Если разделить эту энергию на 4 нуклона, получится 7,07 MeV на нуклон — число, которое мы обозначаем как B/A. Чем выше B/A, тем прочнее связано ядро.

Проверим масштаб. Электронвольт (eV) — это энергия, которую получает один электрон, пройдя через напряжение в один вольт, а мегаэлектронвольт (MeV) — это миллион электронвольт. В химической реакции горения одного атома углерода в кислороде выделяется около 4 eV. При образовании одного ядра гелия-4 выделяется 28 миллионов eV. Ядерная энергия на один атом в миллионы раз больше химической энергии на один атом — именно поэтому ядерное топливо настолько концентрированное.

В повседневных единицах 1 грамм массы, полностью превращённый в энергию, дал бы около 9 × 10¹³ J — этого хватило бы, чтобы обеспечивать энергией дом примерно две тысячи лет. В реальности ни один процесс не превращает грамм вещества полностью, но это показывает, что означает множитель c².