大量欠陥 は、原子の質量とその粒子の質量の合計との差です。原子核をまとめている結合エネルギーが質量差の原因です。言い換えると、原子核が形成されるときに物質の一部がエネルギーに変換されますが、原子の質量とエネルギーの合計は一定のままです (質量とエネルギーの保存)。
たとえば、ヘリウム原子の質量は 4.00260 amu ですが、原子内の陽子、中性子、および電子の質量の合計は 4.03298 amu になります。言い換えれば、ヘリウム原子は、その部分の質量の約 0.8% が欠けています。
大量の赤字 は大量欠陥の別名です。
質量欠損フォーミュラ
質量欠損は、陽子 (1.007825 amu)、中性子 (1.008665 amu)、および電子 (0.00054858 amu) の質量の合計と原子の実際の質量との差です。しかし、電子の質量は陽子と中性子の質量に比べて無視できるので、それらは省略されています。
質量欠陥 =(質量陽子 + 質量中性子) – 原子質量
たとえば、同位体である鉄 56 には、26 個の陽子、26 個の電子、および 30 個の中性子が含まれています。鉄 56 の実験的な原子質量は 55.934938 amu です。質量欠陥を見つけます。
質量欠陥 =26(質量陽子) + 30(質量中性子) – 原子質量
質量欠損 =(26)(1.007825 amu) + 30(1.008665 amu) – 55.934938 amu =0.528462 amu
では、核結合エネルギーを計算してみましょう…
核結合エネルギー
核結合エネルギーは、原子核をその構成要素である陽子と中性子に分割するために必要なエネルギーです。質量欠損に相当するエネルギーです。 1905 年、アルバート アインシュタインは質量欠損について説明し、エネルギー、質量、光速に関する彼の有名な公式を使用して説明しました。
E =mc
したがって、原子の質量の減少は、原子が形成されるときに放出されるエネルギーを c で割った値に等しくなります。これは約 931 MeV/amu になります。
鉄 56 の例では、質量欠陥は 0.528462 amu でした。したがって、鉄 56 の核結合エネルギーは 0.528462 x 931 MeV/amu =492 MeV です。鉄 56 には 56 個の核子があるため、核子あたりの結合エネルギーは 492 MeV/56 核子 =8.79 MeV/核子です。
大量欠損の仕組み
質量とエネルギーは、同じコインの裏表のようなものです。原子や分子では、常に一方が他方に変換されます。質量とエネルギーの保存は、それらの合計が変わらないことを意味します。
陽子と中性子は、強い核力のために原子核内でくっつきます。強い力が短い距離で作用し、原子核内の陽子の同種の電荷間の静電反発力を克服します。質量欠陥は、小さな原子では大量のエネルギーですが、大きな原子では実際に合計されます。たとえば、ウラン 238 の核結合エネルギーは 1800 MeV または 7.57 MeV/核子です。
強い力は、互いに近くにある粒子にのみ影響を与えます。たとえば、ウランのような原子核は非常に大きいため、静電反発力は核の端近くの核子に大きな影響を与えます。これは、核分裂や放射性崩壊の影響を受けやすい不安定な原子核につながります。ウラン原子が核分裂すると、結合エネルギーの一部が解放されます。 たくさん
同様に、原子が化学結合を形成して分子を作るとき、エネルギーが放出されます。分子はエネルギーを吸収して化学結合を壊します。質量欠陥がありますが、化学反応には陽子や中性子ではなく電子が関与するため、質量/エネルギーの差はそれほど大きくありません。電子は核子よりはるかに質量が小さい。それはまだかなりの量のエネルギーです。たとえば、化合物の窒素-窒素結合を切断すると大量の熱が放出され、通常は爆発が発生します。
参考文献
- アタナソプロス、スタブロス。シャウアー、フランツ。ら。 （2019）。 「有機太陽電池の電荷移動状態の結合エネルギーは?」. 先端エネルギー材料 . 9 (24):1900814. doi:10.1002/aenm.201900814
- J.S. リリー（2006）。 核物理学:原理と応用 (2006 年 1 月に修正を加えて再掲。編)。チチェスター:J. ワイリー。 ISBN 0-471-97936-8.
- プルシャヒアン、ソハイル (2017)。 「核物理学から質量スペクトル分析までの質量欠陥」。 アメリカ質量分析学会誌 . 28 (9):1836–1843。 doi:10.1007/s13361-017-1741-9
