Năng Lượng Liên Kết Hạt Nhân
Một hạt nhân nhẹ hơn một chút so với tổng khối lượng các proton và neutron riêng lẻ của nó. Khối lượng bị thiếu đó không biến mất — nó trở thành năng lượng liên kết giữ hạt nhân lại với nhau. Hạt nhân sắt liên kết chặt chẽ nhất trong số mọi nguyên tố, đó là lý do tại sao việc hợp nhất các hạt nhân nhẹ hoặc tách các hạt nhân nặng đều giải phóng năng lượng khi chúng tiến về phía sắt.
Công thức
E = Δm · c²
- E — năng lượng liên kết (J): năng lượng được giải phóng hoặc cần thiết để giữ hạt nhân lại với nhau
- Δm — độ hụt khối (kg): khối lượng bị thiếu so với các proton và neutron riêng lẻ
- c — tốc độ ánh sáng (m/s): một hằng số khổng lồ, khoảng ba nhân mười lũy thừa tám mét trên giây
Ví dụ đã giải
Một hạt nhân thiếu 0,01 kilôgam khối lượng so với các proton và neutron riêng lẻ của nó. Khối lượng thiếu đó đại diện cho bao nhiêu năng lượng liên kết?
- 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
Tự kiểm tra
Một hạt nhân khác thiếu 0,02 kilôgam khối lượng thay vào đó. Điều đó đại diện cho bao nhiêu năng lượng liên kết?
- Đáp án đúng: 1.8×10¹⁵ J
- 4.5×10¹⁴ J
- 1.8×10¹⁶ J
Chính xác — năng lượng tỉ lệ trực tiếp với khối lượng thiếu: 0.02 kg × (3×10⁸ m/s)² = 1.8×10¹⁵ jun.
Sắt nằm ngay đỉnh của đường cong năng lượng liên kết. Điều đó có ý nghĩa gì đối với phản ứng nhiệt hạch và phân hạch?
- Chỉ phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng; phân hạch gần sắt hấp thụ nó
- Chỉ phân hạch giải phóng năng lượng; nhiệt hạch gần sắt hấp thụ nó
- Đáp án đúng: Cả nhiệt hạch và phân hạch đều giải phóng năng lượng khi chúng tiến về phía sắt
Đúng — các nguyên tố nhẹ hơn sắt giải phóng năng lượng bằng cách hợp nhất lại với nhau, và các nguyên tố nặng hơn sắt giải phóng năng lượng bằng cách tách ra, cả hai đều tiến về phía hạt nhân liên kết chặt chẽ của sắt.
Bạn thấy điều này ở đâu
Mặt Trời chuyển đổi khoảng 4 triệu tấn khối lượng của chính mình thành ánh sáng mỗi giây bằng cách nhiệt hạch hiđrô tiến về vùng lân cận của sắt; một nhà máy điện hạt nhân chạy theo hướng ngược lại, phân hạch urani nặng và để các mảnh vứt bỏ khối lượng dưới dạng năng lượng. Cả hai đều đang trượt xuống cùng một dốc — về phía sắt, hạt nhân liên kết chặt chẽ nhất trong mọi hạt nhân.
Những sai lầm phổ biến
Điều bất ngờ cần thuộc lòng: sắt nằm ngay ĐỈNH của đường cong năng lượng liên kết, nên CẢ nhiệt hạch các hạt nhân nhẹ lẫn phân hạch các hạt nhân nặng đều giải phóng năng lượng — bất cứ thứ gì tiến về phía sắt đều thắng. Và cách định giá không hề nương tay: E = Δm · c², nên 0.02 kg khối lượng mất đi là 0.02 × (3×10⁸ m/s)² = 1.8×10¹⁵ J — tăng gấp đôi khối lượng mất đi là tăng gấp đôi năng lượng, và c² là lý do 'khối lượng tí hon' không bao giờ đồng nghĩa với 'năng lượng tí hon'.
Nó liên kết như thế nào
Điều này khép lại mô-đun bằng cách trói hai trụ cột của nó vào với nhau: cơ học lượng tử giải thích hạt nhân nào đủ ổn định để ngồi yên và hạt nhân nào phân rã (bài học trước), còn E = Δm · c² của thuyết tương đối — người anh em nổi tiếng của giãn thời gian — chuyển sự chênh lệch khối lượng thành năng lượng mà các ngôi sao, các lò phản ứng và các hạt nhân không ổn định thực sự giải phóng.