Masse-energi-ækvivalens

Masse-energi-ækvivalens betyder, at hvilemasse er en del af et systems energiregnskab. For et system i hvile gælder E₀ = mc². I kernefysik kan meget små forskelle mellem den samlede hvilemasse før og efter en proces svare til direkte målbare energier.

Hvileenergi og total relativistisk energi

E = mc² er relationen for hvileenergi. For en partikel i bevægelse gælder E² = (pc)² + (mc²)². I kernereaktioner bevares total energi og impuls samlet; hvilemasse behøver ikke at være bevaret som en selvstændig størrelse.

startsystemmasse mᵢprodukter m_ffrigivet energi hvis mᵢ > m_f
En lavere slut-hvilemasse betyder, at forskellen optræder som kinetisk energi, fotoner eller excitation.

Q-værdien angiver energibalancen

Q = (mstart − mslut)c²

1 u·c² ≈ 931,5 MeV

Q = (mstart − mslut)c². Med atomare masseenheder er 1 u·c² ≈ 931,5 MeV. Q > 0 betyder frigivet energi; Q < 0 kræver energitilførsel. Ved projektilreaktioner kan impulsbevarelse gøre tærskelenergien større end |Q|.

Massedefekt-omregner

adskilte nukleonerbundet systemenergi frigives; lavere masse
Bindingsenergi hører til hele systemet: en bundet kerne har lavere hvileenergi end de adskilte nukleoner.

Hvorfor c² gør små masseforskelle vigtige

Lysets hastighed i anden er en enorm omregningsfaktor i SI-enheder. Derfor kan en masseændring langt under almindelig vejenøjagtighed svare til MeV-skala kernenergi. Kemisk binding ændrer også masse, men den relative ændring er langt mindre.

Fusion og fission følger samme regnskab

Både fusion og fission kan frigive energi, når produkterne er stærkere bundet og har lavere samlet hvilemasse end startsystemet. Den “manglende masse” findes som bevægelse, stråling eller excitation. Opvarmning af en lukket genstand, kompression af en fjeder eller excitation af et atom ændrer også massen med ΔE/c².

Gennemregnede eksempler

1. Omregn et massedefekt

Løsning

For Δm = 0,0020 u fås Q ≈ 0,0020 × 931,5 = 1,86 MeV.

2. Energi fra en SI-masse

Løsning

For Δm = 1,0 × 10⁻¹² kg fås ΔE = Δmc² ≈ 9,0 × 10⁴ J.

3. Fortolk fortegnet på Q

Løsning

Hvis produkterne har 0,005 u større hvilemasse end reaktanterne, er Q ≈ −4,66 MeV; der skal tilføres energi.