Ytimen sidosenergia
Ytimen sidosenergia on energia, joka tarvitaan ytimen hajottamiseen vapaiksi protoneiksi ja neutroneiksi. Sama suure voidaan nähdä toiseen suuntaan: kun nukleonit muodostavat sidotun ytimen, vastaava energia vapautuu ja lopputilan lepomassa pienenee.
Massavaje antaa kokonaissidosenergian
Jos vapaiden nukleonien massojen summa ylittää sidotun ytimen massan määrällä Δm, niin B=Δmc². Yksiköillä u ja MeV tämä on käytännöllisesti B≈Δm×931,5 MeV.
Massaluku A ei ole mitattu massa. Se on nukleonien lukumäärä, kun taas massavaje perustuu tarkkoihin massoihin.
Sidosenergia nukleonia kohti mahdollistaa vertailun
Suure B/A kertoo keskimääräisen sidoksen nukleonia kohti. Se kasvaa nopeasti kevyissä ytimissä, saavuttaa suuren arvon keskisuurilla A-arvoilla ja pienenee hitaasti hyvin raskaissa ytimissä.
B/A ei tarkoita, että jokainen nukleoni olisi sidottu täsmälleen samalla energialla. Ydin on kvanttimekaaninen monen kappaleen järjestelmä.
Miksi sekä fuusio että fissio voivat vapauttaa energiaa
Kevyet ytimet voivat fuusioituessaan siirtyä kohti suurempaa B/A-arvoa. Hyvin raskaat ytimet voivat fissiossa hajota keskikokoisemmiksi ytimiksi, joilla on niin ikään suurempi B/A.
Kummassakin tapauksessa lopputilan pienempi kokonaislepomassa näkyy vapautuneena energiana. Tämä on energetiikan perusta, ei väite siitä, että kaikki ytimet spontaanisti tekisivät näin.
Sidosenergia ei yksin määrää stabiilisuutta
Radioaktiivinen stabiilisuus riippuu myös neutroni–protoni-suhteesta, kuorirakenteesta, parittumisesta ja sallituista hajoamiskanavista.
Ytimellä voi olla suuri B/A ja silti se voi hajota, jos olemassa on vielä alempienerginen tila ja siirtymä on kvanttimekaanisesti mahdollinen.
Ratkaistuja esimerkkejä
1. Kokonaissidos
A=20 ja B/A=8,0 MeV.
Ratkaisu
B=160 MeV.
2. Massavaje
B=28,3 MeV.
Ratkaisu
Δm=28,3/931,5≈0,0304 u.
3. Reaktion suunta
Tuotteilla on suurempi keskimääräinen B/A kuin lähtöytimillä.
Ratkaisu
Kokonaislepomassa pienenee, joten erotus voi vapautua energiana.
B/A-käyrä on hyödyllinen yleiskuva mutta ei yksityiskohtainen reaktiomalli. Todellisissa reaktioissa on tarkistettava tarkat isotooppimassat, Q-arvo, liikemäärän säilyminen ja mahdolliset viritystilat. Fuusion ja fission aktivoitumisesteet sekä reaktionopeudet ovat eri kysymyksiä kuin se, onko lopputila energialtaan alempi.
Ydinfysiikan laskuissa määritelmät ja alku- sekä lopputilaan kuuluvat hiukkaset on pidettävä tarkasti erillään. Massaluku A on kokonaisluku, joka laskee nukleonit, kun taas taulukoitu atomimassa on mitattu massa, johon sisältyvät myös elektronit. Atomimassoja ja paljaiden ytimien massoja ei siksi saa sekoittaa ilman korjausta. Turvallinen menetelmä on kirjoittaa koko reaktio tai siirtymä, tarkistaa A, Z ja sähkövaraus ja vasta sen jälkeen tehdä massa- ja energiatase. Positiivinen Q-arvo kertoo, että lopputila on energisesti mahdollinen, mutta ei yksin prosessin nopeutta. Tunnelointi, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettiset valintasäännöt ja käytettävissä olevat viritystilat määräävät todennäköisyyksiä. Mitattua säteilyä ja puoliintumisaikaa tulkitaan siis säilymislakien rinnalla, ei niiden korvikkeena.