انرژی همبستگی هسته

مفاهیم ساختار اتمی و هسته ای این است که اتم مرکب از هسته و الکترون هایی ‏است که ‏آن را احاطه کرده اند. و اینکه هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است به این پرسش ‏‏اساسی می انجامد که:‏
آیا جرم یک اتم خنثی با مجموع جرم های پروتون ها ، نوترون ها و الکترون هایی که آن اتم ‏خنثی را تشکیل ‏می دهند. برابر است یا نه ؟‏
این پرسش را به دقت می توان پاسخ داد. زیرا جرم پروتون ، نوترون و الکترون و همچنین جرم ‏های تقریبا ‏تمام اتم های گوناگون معلوم اند. ‏
● منشا انرژی همبستگی هسته:
در فیزیک یک اصل کلی است که می گوید : برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار ‏باید کار ‏انجام داد. مثلا اگر سیستمی از نوترون ها و پروتون ها ، که هسته اتم را ایجاد می ‏کنند، پایدار باشد. برای از ‏هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود.‏
جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از جمع جرم های جداگانه نوترون ها و پروتون های تشکیل ‏دهنده آن ‏باشد. از طریق محاسبه و تجربه معین شده است که اختلافی بین مجموع جرم ‏نکلئونهای هسته و جرم هسته ‏پایدار وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژیی هست که جهت ‏متلاشی کردن کامل هسته لازم است. این ‏انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم می باشد.‏
● محاسبه انرژی همبستگی هسته:
بررسی جرم های اتمی شناخته شده نشان می دهد که برای هر نوع اتم ، جرم اتمی همواره ‏کمتر از ‏مجموع جرم های ذرات تشکیل دهنده به حالت آزاد آنهاست. ساده ترین اتم که دست ‏کم شامل یک پروتون ، ‏یک نوترون و یک الکترون باشد دوتریم است: در این مورد جرم ها عبارتند ‏از:‏
▪ جرم سکون یک پروتون = amu ‏۱.۰۰۷۲۷۶‏‏
▪ جرم سکون یک نوترون = amu‏ ۱.۰۰۸۶۶۵‏ ‏
▪ جرم سکون یک الکترون = amu‏ ۰.۰۰۰۵۴۹‏ ‏
▪ جرم سکون ذرات تشکیل دهنده در حالت آزاد = amu‏ ۲.۰۱۶۴۹۰‏
▪ جرم سکون اتم دوتریوم = ۲.۰۱۴۱۰۲‏amu‏ ‏
● تفاوت ‏m= ۰.۰۰۲۳۸۸amu‏
تفاوت جرم سکون ، ‏m‏ ، ممکن است کوچک به نظر آید، لیکن به علت ضریب C۲ در ‏رابطه E=mc۲این تفاوت جرم با تفاوت انرژی قابل ملاحظه ای مطابقت دارد. بنابرین ‏تفاوت جرم( ‏m‏ ‏‏)با تفاوت انرژی (E‏ ) با رابطه ‏E=C;m۲ به هم مربوط می شوند. ‏یک ضریب تبدیل مناسب ‏برای تبدیل جرم اتمی (برحسب واحد جرم اتمی)به انرژی( برحسب مگاالکترون ‏ولت)عبارت ‏است از (‏amu=۹۳.۱Mev‏).‏
بنابرین اگر تشکیل یک اتم دوتریوم را به هنگام ترکیب یک پروتون و یک نوترون (و اتصال با ‏یک ‏الکترون) را در نظر بگیریم، در این فرآیند مقدار جرمی برابر با ‏Mev = ۱amu/۹۳۱Mev x ‎‎۰.۰۰۲۳۸۸amu‏ ۲.۲۲ به هنگام ترکیب این سیستم از ذرات ترکیب شونده آن ، پیش از آن که به ‏صورت یک اتم ‏دوتریوم درآمده باشد، به اطراف تابیده است.‏
انرژی از دست رفته موردنظر را که از محاسبه تفاوت در جرم سکون حاصل شده، می توان با ‏نتیجه یک ‏آزمایش مستقیم مقایسه کرد. وقتی هیدروژن با نوترون بمباران می شود. یک نوترون ‏به صورت واکنش زیر ‏گیر می افتد.‏ ‎۱n+۱۱H→۲۱H;
در این واکنش هیچ گونه اجزای ذره‌ای که انرژی جنبشی زیادی داشته باشند، ایجاد ‏نمی‌شود. بنابراین جرمی ‏برابر ‏ ‏amu‏‏‎۰.۰۰۲۳۸۸‎‏ که تفاوت سبکتر شدن ‏‎۲۱H‏ از ‏‏<‏up>۱n+۱۱H‏s> است، به ‏وسیله اشعه گاما ربوده می شود. ‏انرژی این اشعه از طریق آزمایش معین و معلوم شده ‏که ‏MeV‏۲۲.۲ یعنی درست همان مقدار پیشگویی شده ‏است.‏
● برهمکنش هسته دوتریوم با اشعه گاما:
واکنش معکوس ، یعنی واکنشی که در آن دوتریم با اشعه گاما بمباران می شود، نیز ‏بررسی شده‌است:‏
اگر انرژی پرتوهای ‏اشعه‏ کمتر از ‏MeV‏۲۲.۲ باشد، این واکنش صورت نمی‌گیرد. اما اگر ‏پرتوهای ‏V‏ با ‏انرژی ‏MeV‏۲۲.۲ یا بیشتر به کار گرفته شوند، واکنش صورت می‌گیرد. یعنی ‏پروتون و نوترون از هم جدا ‏و آشکارپذیر می شوند. ‏ ‎۲۱H+→۱n+۱۱H‎
به دنبال "گیر اندازی" یک نوترون به وسیله ‏‎۱۱H‏ ، انرژی در یک ‏‏‏اشعه گاما آزاد می شود. این انرژی (‏MeV‏۲۲.۲) انرژی اتصال دوترون نامیده می‌شود. ‏این انرژی را ‏می‌توان انرژی‌ای دانست که وقتی یک پروتون و یک نوترون برای ایجاد یک ‏هسته باهم ترکیب می‌شود، آزاد ‏می‌گردد. برای حصول واکنش معکوس ‏‏(وقتی‎۲۱H ‎‏ با اشعه ایکس بمباران ‏می‌شود) انرژی باید جذب ‏شود. ‏
بنابراین می‌توان چنین پنداشت که انرژی اتصال مقدار انرژی لازم برای شکستن ‏هسته به ذرات هسته‌ای ‏سازنده آن است. ‏
● انرژی هسته ای:
مفهوم انرژی هسته‌ای برای تمام مواردی که اجزایی ساده به وسیله نیرویی به هم ‏می‌پیوندند و یک سیستم ‏پیچیده به‌وجود می‌آورند، به کار می‌آید. مثلا زمین در مداری ‏به دور خورشید قرار گرفته و با جاذبه گرانشی ‏به آن متصل است و در این صورت برای ‏جدا شدن و گریز از خورشید باید مقداری انرژی جنبشی اضافی به ‏آن داده شود. ‏
در یک اتم هیدروژن ‏eV‏ ‏۱۳ لازم است تا الکترون از قید هسته‌ای که با جاذبه الکتریکی ‏به آن اتصال ‏یافته خلاص شود. به عکس ، وقتی یک هسته ‏عریان‎۱۱H ‎‏ الکترونی را گیر ‏می اندازد و به یک اتم هیدروژن ‏خنثای پایدار معمولی مبدل می‌شود. سیستم مقداری انرژی برابر با ‏eV‏ ۱۳ ‏به وسیله ‏تابش از دست می‌دهد و این درست انرژی فوتون گسیل یافته‌ای است که در این ‏فرآیند یعنی ، فرآیند ‏گیراندازی الکترون ، مشاهده می‌شود. اما فقط انرژی‌های اتصال ‏هسته‌ای آن قدر بزرگ‌اند که تفاوت جرم ‏مربوط به آنها قابل اندازه‌گیری می‌شود.‏