طاقة الربط النووي
النواة تزن أقل قليلًا من مجموع بروتوناتها ونيوتروناتها المنفصلة. تلك الكتلة المفقودة لم تتلاشَ — بل صارت طاقة الربط التي تمسك النواة معًا. نواة الحديد أشد ارتباطًا من أي عنصر، ولهذا يطلق اندماج الأنوية الخفيفة وانشطار الثقيلة طاقةً كلاهما وهما تتحركان نحو الحديد.
الصيغة
E = Δm · c²
- E — طاقة الربط (J): الطاقة المحررة أو اللازمة لإمساك النواة معًا
- Δm — النقص الكتلي (kg): الكتلة المفقودة مقارنة بالبروتونات والنيوترونات المنفصلة
- c — سرعة الضوء (m/s): ثابت هائل، نحو ثلاثة في عشرة أس الثامن متر في الثانية
مثال مشروح
نواة ينقصها 0.01 كيلوغرام من الكتلة مقارنة ببروتوناتها ونيوتروناتها المنفصلة. كم طاقة ربط تمثلها تلك الكتلة المفقودة؟
- Δm = 0.01 kg
- c = 3×10⁸ m/s
- E = Δm · c²
- E = 0.01 kg · (3×10⁸ m/s)²
E = 9×10¹⁴ J
اختبر نفسك
نواة مختلفة ينقصها 0.02 كيلوغرام من الكتلة بدلًا. كم طاقة ربط تمثلها؟
- الإجابة الصحيحة: 1.8×10¹⁵ J
- 4.5×10¹⁴ J
- 1.8×10¹⁶ J
بالضبط — تتدرج الطاقة مباشرة مع الكتلة المفقودة: 0.02 kg × (3×10⁸ m/s)² = 1.8×10¹⁵ جول.
يجلس الحديد على قمة منحنى طاقة الربط تمامًا. ماذا يعني ذلك للاندماج والانشطار؟
- الاندماج وحده يطلق طاقة؛ الانشطار قرب الحديد يمتصها
- الانشطار وحده يطلق طاقة؛ الاندماج قرب الحديد يمتصها
- الإجابة الصحيحة: الاندماج والانشطار كلاهما يطلق طاقة وهما يتحركان نحو الحديد
صحيح — العناصر أخف من الحديد تطلق طاقة بالاندماج، والأثقل منه تطلقها بالانشطار، وكلاهما يتحرك نحو نواة الحديد المحكمة الارتباط.
أين تراه
الشمس تحول نحو 4 ملايين طن من كتلتها الذاتية إلى ضوء كل ثانية عبر اندماج الهيدروجين وصولًا إلى جوار الحديد؛ والمحطة النووية تسير في الاتجاه المعاكس، فتشق اليورانيوم الثقيل وتدع الشظايا تتخلى عن كتلة تتحول إلى طاقة. وكلاهما ينزلق على المنحدر نفسه — نحو الحديد، أشد الأنوية ارتباطًا على الإطلاق.
الأخطاء الشائعة
المفاجأة التي تستحق الحفظ: الحديد يقبع عند قمة منحنى طاقة الربط، لذا فكلٌّ من اندماج الأنوية الخفيفة وانشطار الأنوية الثقيلة يطلق طاقة — أي شيء يتحرك نحو الحديد يربح. والتسعير لا يرحم: E = Δm · c²، فكتلة مفقودة قدرها 0.02 kg تعطي 0.02 × (3×10⁸ m/s)² = 1.8×10¹⁵ J — مضاعفة الكتلة المفقودة تضاعف الطاقة، وc² هي السبب في أن «كتلة ضئيلة» لا تعني أبدًا «طاقة ضئيلة».
كيف يرتبط
هذا الدرس يغلق الوحدة بربط ركيزتيها معًا: ميكانيكا الكم تفسر أي الأنوية مستقرة بما يكفي لتبقى وأيها تضمحل (الدرس السابق)، وE = Δm · c² من النسبية — الشقيقة الشهيرة لاتساع الزمن — تحوّل فرق الكتلة إلى الطاقة التي تطلقها النجوم والمفاعلات والأنوية غير المستقرة فعلًا.