طاقة الربط النووي

طاقة الربط النووي هي الطاقة اللازمة لتفكيك نواة إلى بروتوناتها ونيوتروناتها الحرة، وهي أيضاً مقدار الطاقة التي يجب أن تغادر النظام عند تكوين النواة من نوكليونات منفصلة. لذلك تكون كتلة النواة المترابطة أصغر من مجموع كتل مكوناتها الحرة بمقدار يسمى عيب الكتلة.

عيب الكتلة وطاقة الربط

لنواة فيها Z بروتوناً وN نيوتروناً يمكن كتابة عيب الكتلة تقريباً Δm = Zmₚ + Nmₙ − mالنواة، ثم B = Δmc². عند استخدام الكتل الذرية المتعادلة يجب التعامل مع كتل الإلكترونات باتساق حتى لا ندخل خطأ منهجياً.

طاقة الربط موجبة لأنها تعبّر عن مقدار الطاقة المطلوب لإرجاع النوكليونات إلى الحالة الحرة. انخفاض طاقة السكون في الحالة المترابطة لا يعني فقدان الطاقة؛ فالطاقة خرجت أثناء التكوين على شكل إشعاع أو حركة أو انتقلت إلى أجسام أخرى.

B/A

طاقة الربط لكل نوكليون

المقارنة بين نوى مختلفة الحجم تصبح أوضح باستعمال B/A، أي طاقة الربط لكل نوكليون. النواة الكبيرة قد تمتلك طاقة ربط كلية أكبر فقط لأنها تحتوي نوكليونات أكثر، أما B/A فيقيس مقدار الترابط المتوسط لكل نوكليون.

ترتفع B/A سريعاً في النوى الخفيفة، ثم تبلغ قيماً عالية قرب منطقة الحديد والنيكل، وبعدها تنخفض ببطء في النوى الثقيلة. هذا الشكل يفسر من حيث الطاقة لماذا يمكن للاندماج بين نوى خفيفة وللانشطار في نوى ثقيلة أن يطلقا طاقة.

طاقة الربط النووي
طاقة الربط الكلية B (MeV) العدد الكتلي A

منحنى طاقة الربط والاستقرار

القوة النووية الشديدة قصيرة المدى ومشبعة تقريباً: كل نوكليون يتفاعل بقوة مع جيرانه القريبين لا مع كل النوكليونات بالتساوي. في المقابل يزداد التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات مع كبر النواة، فيؤثر على شكل المنحنى عند الأعداد الكتلية الكبيرة.

لا ينبغي قراءة منحنى B/A على أنه جدول مباشر لأعمار النصف. فقد تكون نواتان متقاربتين في B/A لكن إحداهما غير مستقرة بسبب نسبة N/Z أو لأن قناة اضمحلال معينة مسموحة طاقياً وكمومياً.

B/A

لماذا لا تكفي طاقة الربط وحدها لوصف الاستقرار

الاستقرار النووي يعتمد أيضاً على تأثيرات القشرة النووية، والاقتران بين النوكليونات، والعزم الزاوي، وحواجز الاضمحلال. لذلك تكون «الأعداد السحرية» لبعض البروتونات أو النيوترونات مرتبطة باستقرار إضافي لا يظهر بالكامل في متوسط B/A.

القيمة B/A مفيدة لفهم الاتجاهات الكبرى وتقدير الطاقة الممكنة، لكنها ليست بديلاً عن كتل النظائر الفعلية وقيم Q عند تحليل اضمحلال أو تفاعل محدد.

عند حل أي مسألة نووية، ابدأ بتحديد النظام والوحدات وما إذا كانت الكتل ذرية أم نووية، ثم افحص حفظ A وZ والطاقة والزخم. هذه الخطوات تمنع كثيراً من الأخطاء العددية وتفصل بين علاقة فيزيائية عامة وبين تقريب صالح فقط في سياق محدد.

أمثلة محلولة

طاقة ربط كلية

الحل

إذا كان عيب الكتلة 0.030 u فإن B ≈ 0.030×931.5 = 27.9 MeV.

طاقة لكل نوكليون

الحل

إذا كانت B = 56 MeV لنواة عددها الكتلي A = 7 فإن B/A = 8.0 MeV لكل نوكليون.

مقارنة طاقية

الحل

إذا انتقل النظام إلى نواتج ذات B/A أعلى وكان مجموع عدد النوكليونات محفوظاً، ينخفض مجموع طاقة السكون ويمكن أن تتحرر طاقة.