Energia de legătură nucleară
Energia de legătură nucleară este energia necesară pentru a separa complet un nucleu în protonii și neutronii săi liberi. Ea este legată de defectul de masă: masa nucleului legat este mai mică decât suma maselor acelorași nucleoni separați, iar diferența corespunde energiei prin E = Δmc².
De la defectul de masă la energia de legătură
Dacă un nucleu conține Z protoni și N neutroni, defectul de masă poate fi scris Δm = Zmₚ + Nmₙ − mnucleu. Energia de legătură este B = Δmc². Un B pozitiv reprezintă energia care trebuie furnizată pentru a separa complet nucleul în nucleoni liberi.
Când se folosesc mase atomice tabelate, electronii trebuie tratați consecvent. Nu este corect să se compare masa unui atom neutru cu masele unor protoni fără electroni fără corecția corespunzătoare.
Energia de legătură pe nucleon compară nuclee de dimensiuni diferite
Energia totală B tinde în mod natural să crească odată cu A, de aceea B/A este mai utilă pentru comparații largi. Ea crește rapid pentru nucleele ușoare, atinge un maxim larg în regiunea fier–nichel și scade treptat pentru nucleele foarte grele.
Un proces care mută nucleonii spre un B/A mai mare conduce, în medie, spre o stare legată de energie mai joasă. Aceasta explică direcția energetică generală a fuziunii nucleelor ușoare și a fisiunii nucleelor foarte grele.
De ce are curba această formă
Interacțiunea nucleară tare are rază scurtă și este aproximativ saturantă: un nucleon interacționează cel mai puternic cu vecinii apropiați, nu în mod egal cu toți nucleonii din nucleu. Repulsia Coulomb dintre protoni are rază mai lungă și devine tot mai importantă când Z crește.
Efectele de suprafață, raportul neutroni–protoni, împerecherea și structura de straturi nucleare produc detalii suplimentare. Curba reală B/A nu este, așadar, o funcție perfect netedă.
Un B/A mare nu garantează stabilitatea
Un nuclid poate fi relativ puternic legat și totuși să aibă o tranziție radioactivă permisă energetic către o stare de energie mai joasă. Stabilitatea depinde și de accesibilitatea stării finale și de probabilitatea cuantică a tranziției.
B/A este o medie utilă pentru tendințe, nu energia necesară pentru a îndepărta un proton sau neutron anume. Energiile de separare depind de nucleele inițial și final exacte și pot diferi mult în apropierea închiderilor de strat.
Exemple rezolvate
1. Energia de legătură totală
Soluție
Dacă A = 20 și B/A = 8,0 MeV, atunci B = 20 × 8,0 = 160 MeV.
2. Defectul de masă
Soluție
O energie de legătură de 28,3 MeV corespunde lui Δm ≈ 28,3 / 931,5 = 0,0304 u.
3. Direcția energiei
Soluție
Dacă, la același A total, produsele au B/A = 8,4 MeV iar reactanții 7,6 MeV, produsele sunt mai puternic legate și procesul poate elibera energie.