Magkötési energia

Egy atommag kicsit kevesebbet nyom, mint a különálló protonjai és neutronjai együtt. Az a hiányzó tömeg nem tűnt el — a magot összetartó kötési energiává vált. A vas magja köti a legszorosabban az összes elem közül, ezért szabadít fel energiát mind a könnyű magok egyesítése, mind a nehéz magok szétszakítása, ahogy a vas felé haladnak.

A képlet

E = Δm · c²

  • E — kötési energia (J): az energia, amely felszabadul vagy szükséges a mag összetartásához
  • Δm — tömegdefektus (kg): a tömeg, amely hiányzik a különálló protonokhoz és neutronokhoz képest
  • c — fénysebesség (m/s): hatalmas állandó, körülbelül három szorozva tíz a nyolcadikon méter másodpercenként

Megoldott példa

Egy mag 0,01 kilogramm tömegből hiányt mutat a különálló protonjaihoz és neutronjaihoz képest. Mennyi kötési energiát képvisel az a hiányzó tömeg?

  • Δm = 0.01 kg
  • c = 3×10⁸ m/s
  1. E = Δm · c²
  2. E = 0.01 kg · (3×10⁸ m/s)²

E = 9×10¹⁴ J

Teszteld magad

Egy másik mag inkább 0,02 kilogramm tömegből hiányt mutat. Mennyi kötési energiát képvisel ez?
  • Helyes válasz: 1.8×10¹⁵ J
  • 4.5×10¹⁴ J
  • 1.8×10¹⁶ J

Pontosan — az energia egyenesen skálázódik a hiányzó tömeggel: 0.02 kg × (3×10⁸ m/s)² = 1.8×10¹⁵ joule.

A vas a kötési energia görbéjének legtetején ül. Mit jelent ez a fúzióra és a hasadásra?
  • Csak a fúzió szabadít fel energiát; a hasadás a vas közelében elnyeli
  • Csak a hasadás szabadít fel energiát; a fúzió a vas közelében elnyeli
  • Helyes válasz: A fúzió és a hasadás is energiát szabadít fel, ahogy a vas felé halad

Helyes — a vasnál könnyebb elemek egyesülve energiát szabadítanak fel, a vasnál nehezebb elemek széthasadva, mindkettő a vas szorosan kötött magja felé haladva.

Hol találkozol vele

A Nap saját tömegének körülbelül 4 millió tonnáját alakítja fénnyé minden másodpercben, hidrogént fuzionálva a vas szomszédsága felé; egy atomerőmű az ellenkező irányba fut, nehéz uránt hasítva szét, és hagyva, hogy a töredékek tömeget veszítsenek energiaként. Mindkettő ugyanazon a lejtőn csúszik lefelé — a vas felé, amely minden atommag közül a legszorosabban kötött.

Gyakori hibák

A megjegyzendő meglepetés: a vas a kötési energia görbe TETEJÉN ül, tehát MIND a könnyű atommagok fúziója, MIND a nehezek hasadása energiát szabadít fel — bármi, ami a vas felé mozog, nyer. És az árazás könyörtelen: E = Δm · c², tehát 0,02 kg hiányzó tömeg 0,02 × (3×10⁸ m/s)² = 1,8×10¹⁵ J — a hiányzó tömeg megkettőzése megduplázza az energiát, és a c² az oka annak, hogy a 'apró tömeg' soha nem jelent 'apró energiát'.

Hogyan kapcsolódik

Ez zárja le a modult, összekötve a két pillérét: a kvantummechanika megmagyarázza, mely atommagok elég stabilak ahhoz, hogy megüljenek, és melyek bomlanak el (előző lecke), a relativitáselmélet E = Δm · c²-je pedig — az időtágulás híres testvére — a tömegkülönbséget azzá az energiává alakítja, amelyet csillagok, reaktorok és instabil atommagok valóban felszabadítanak.

Próbáld ki az interaktív szimulációt

Kapcsolódó fogalmak