Ytimen sidosenergia
Ytimen sidosenergia on energia, joka tarvitaan ytimen hajottamiseksi täysin vapaiksi protoneiksi ja neutroneiksi. Sama energiamäärä vapautuu, kun vapaat nukleonit sitoutuvat ytimeksi, ja se vastaa ytimen massavajetta.
Massavajeesta energiaksi
Kun Δm määritellään vapaiden nukleonien massojen summan ja sidotun ytimen massan erotukseksi, B=Δmc². Suuri B tarkoittaa, että ytimen täydellinen purkaminen vaatii paljon energiaa. Tarkat massamittaukset ovat siksi samalla erittäin tarkkoja sidosenergian mittauksia.
Sidosenergia nukleonia kohti
Eri kokoisten ytimien vertailuun käytetään B/A:ta. Se kasvaa nopeasti kevyillä ytimillä, saavuttaa laajan maksimin raudan ja nikkelin seudulla ja pienenee hitaasti hyvin raskailla ytimillä. Tämä käyrä selittää fuusion ja fission energialähteen.
Stabiilisuus ei ole vain B/A
Suuri sidosenergia kertoo vahvasta kokonaisesta sidoksesta, mutta radioaktiivinen stabiilisuus riippuu myös mahdollisista lopputiloista, kvanttiluvuista ja esteistä. Ydin voi siis olla vahvasti sidottu ja silti radioaktiivinen, jos jokin hajoamiskanava on energettisesti ja kvanttimekaanisesti mahdollinen.
Vahvan voiman kyllästyminen
Vahva ydinvuorovaikutus on lyhytkantamainen, joten nukleoni sitoutuu voimakkaimmin lähinaapureihinsa. Siksi B/A ei kasva rajatta massaluvun mukana. Protonien sähköinen hylkiminen sen sijaan vaikuttaa pitkältä etäisyydeltä ja kasvaa tärkeäksi raskaissa ytimissä.
Puoliempiirinen massakaava
Mallissa sidosenergia jaetaan tilavuus-, pinta-, Coulomb-, epäsymmetria- ja paritustermeihin. Se ei kuvaa kaikkia kuorirakenteen yksityiskohtia, mutta näyttää, miksi pinta vähentää sidosta, suuri protonimäärä maksaa energiaa ja tietyt N/Z-suhteet ovat edullisia.
Erotusenergia
Koko sidosenergian sijasta tutkitaan usein yhden neutronin tai protonin irrottamiseen tarvittavaa energiaa. Äkilliset muutokset erotusenergioissa voivat paljastaa sulkeutuneita ydinkuoria tai lähestymisen ytimen olemassaolorajalle.
Reaktioenergia
Ydinreaktiossa verrataan alku- ja lopputilan kokonaislepomassoja. Jos tuotteiden massa on pienempi, Q on positiivinen ja ero ilmestyy liike-energiana tai gammasäteilynä. Energia ei synny tyhjästä, vaan vapautuu erilaisesta sidostilasta.
Miksi rauta ei ole automaattinen päätepiste
B/A:n maksimi raudan ja nikkelin lähellä ei tarkoita, että kaikki ytimet siirtyisivät spontaanisti sinne. Coulomb-esteet, käytettävissä olevat reaktiokanavat, lämpötila ja tiheys määräävät, mitä prosesseja todella tapahtuu. Tähtien nukleosynteesi on kokonainen reaktioverkko.
Harjoitus
Miksi sekä kevyiden ytimien fuusio että hyvin raskaiden ytimien fissio voivat vapauttaa energiaa?
Ratkaisu
Molemmat voivat siirtää nukleonit kohti suurempaa sidosenergiaa nukleonia kohti. Tuotteiden kokonaislepomassa pienenee ja erotus vapautuu energiana.