כוחות, מסה ואנרגית קשר

אנרגיית הקשר הגרעינית

בפרק על פחת המסה של הגרעין למדנו שמסת הגרעין הנמדדת היא נמוכה יותר מסך מסות הנוקליאונים המרכיבים אותו כאשר הם נמדדים כחלקיקים חופשיים. הפרש זה בין מסת הגרעין למסות המרכיבים שלו כחלקיקים חופשיים הוא פחת המסה והוא נובע מכך שחלק מסך המסות של הנוקליאונים החופשיים הומר לאנרגיה הדרושה ליצירת הקשרים בין הנוקליאונים לצורך בניית מבנה הגרעין.

האנרגיה הדרושה לבניית הגרעין, שמקורה בפחת המסה, נקראת אנרגיית הקשר הגרעינית.

אנרגיית הקשר הגרעינית שונה מאטום לאטום והיא תלויה במספר הנוקליאונים המרכיבים אותו.

המשוואה לחישוב אנרגיית הקשר היא,

B = (Z‧m_p + (A-Z)‧m_n – m₀)‧c²

כאשר –
B – אנרגיית הקשר הגרעינית
Z – המספר האטומי (מספר הפרוטונים)
A – מספר המסה (מספר הנוקלאונים)
m_p – מסת הפרוטון
m_n – מסת הניוטרון
m₀ – מסת המנוחה של הגרעין (ובקירוב טוב גם של האטום)
c – מהירות האור

למשל, נמצא את אנרגיית הקשר הגרעינית, המסומנת על-ידי האות B (מהמילה Binding – קשר באנגלית), של גרעין אטום הליום, שמסתו הנמדדת היא 3,728 ביחידות של [MeV/c²],

B = (Z‧m_p + (A-Z)‧m_n – m<sub>0)‧c²

B = (2‧938.28[MeV/c²] + (4-2)‧939.57[MeV/c²] – 3,728[MeV/c²])‧c² = 27.7 [MeV]</sub>

מושג נוסף שמקובל לדון בו הוא אנרגיית הקשר לנוקליאון. כלומר, חלוקה של סך אנרגיית הקשר הגרעינית המושקעת בבניית הגרעין כשהיא מחולקת במספר הנוקליאונים שבגרעין. אנרגיית הקשר לנוקליאון נותנת מידע לגבי חוזק מבנה הגרעין. ככל שרמת אנרגיית הקשר לנוקליאון שהושקעה בבניית הגרעין היא גבוהה יותר כך קשור כל נוקליאון במידה חזקה יותר למבנה הגרעין והגרעין באופן כללי נחשב כיציב יותר. לעומת זאת, ככל שרמת אנרגיית הקשר לנוקליאון שהושקעה בבניית הגרעין היא נמוכה יותר כך קשור הנוקליאון בצורה חלשה יותר למבנה הגרעין והגרעין באופן כללי נחשב כפחות יציב.

הגרף הבא מתאר את אנרגיית הקשר לנוקליאון על פני היסודות בטבלה המחזורית.

אנרגיית הקשר לנוקליאון

אם נחזור לדוגמה הקודמת עבור אטום הליום, אז הרי שאנרגיית הקשר לנוקליאון עבור הליום היא,

B_nucleon = B / (2+2) = 27.7 / 4 = ~7 [MeV]

קיבלנו, כמובן, את אותו הערך המופיע בגרף שלעיל עבור אטום ההליום.

מעבר לרמת אנרגיית הקשר לנוקליאון נקבעת יציבות המבנה של הגרעין גם לפי מספר הנוקליאונים המרכיבים אותו. ככלל, ככל שיש פחות נוקליאונים בגרעין כך המבנה של הגרעין הוא פשוט יותר ויציב יותר. לכן, על אף שעבור היסודות עד מספר אטומי 60 רמת אנרגיית הקשר לנוקליאון היא נמוכה עדיין האטומים של יסודות אלה נחשבים כיציבים.

אין זה מפתיע למצוא את היסוד החזק ברזל (Fe), שמספרו האטומי 56, קצת לפני הגבול של מספר אטומי 60 בגרף. הברזל הוא אחד היסודות החזקים ביותר בטבלה המחזורית ואנרגית הקשר לנוקלאון בו היא מן הגבוהות הקיימות – 8.8[MeV].

החל ממספר אטומי הגדול מ- 60 והלאה גרעין האטום הוא גם כבר גדול מאוד והולך וגדל ככל שעולים במספר האטומי יחד עם ירידה מתמשכת באנרגיית הקשר הגרעיני. מכאן שיסודות אלו הם פחות יציבים.

בהמשך נלמד על התופעה בה האיזוטופים של יסודות שלהם מבנה פחות יציב מתפרקים – תופעת הרדיואקטיביות.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - פיזיקה גרעינית | פיזיקה גרעינית - כוחות, מסה ואנרגיית קשר : כוח גרעיני חזק וכוח גרעיני חלש | פחת מסה | יחידת מסה אטומית | ייצוג מסת האטום ביחידות אנרגיה | אנרגיית הקשר הגרעינית | מודלים של הגרעין | סיכום ]