مقایسه جرم هلیوم با چهار اتم هیدروژن

از واکنش چهار اتم هیدروژن یک اتم هلیوم تشکیل می شود. اتم هلیوم از دو نوترون و دو پروتون تشکیل شده است. جرم نوترون کمی بیشتر از جرم پروتون است پس انتظار می رود یک اتم هلیوم سنگین تر از چهار اتم هیدروژن باشد اما در عمل اتم هلیوم سبکتر از چهار اتم هیدروژن می باشد در این نوشته به علت این موضوع می پردازیم.

کلید درک اینکه چرا یک هسته هلیوم سبکتر از چهار هسته هیدروژن است، در مفهوم انرژی پیوند و کاهش جرم مرتبط با همجوشی هسته ای نهفته است.

جرم پروتون ها و نوترون ها:

• جرم یک پروتون در حدود 1.007276 u (واحد جرم اتمی) است.

• یک نوترون جرمی در حدود 1.008665 u دارد.

• بنابراین، در حالی که یک نوترون در واقع از یک پروتون جرم بیشتری دارد، هسته هلیوم از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است.

ترکیب هسته هلیوم

هسته هلیوم:

یک هسته معمولی هلیوم 4 (متداول ترین ایزوتوپ) حاوی:

• 2 پروتون

• 2 نوترون

• جرم ترکیبی این نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) از نظر تئوری به صورت زیر خواهد بود:

mass 2 protons + mass 2 neutrons ≈ 2 × 1.007276u + 2 × 1.008665u ≈ 4.031882u

کاهش جرمی و انرژی اتصال

کاهش جرم:

• وقتی این نوکلئون ها به هم می پیوندند تا هسته هلیوم را تشکیل دهند، مقداری از جرم به دلیل نیروی هسته ای قوی که آنها را به یکدیگر متصل می کند، به انرژی تبدیل می شود. در نتیحه هسته هلیوم جرم کمتری در مقایسه با مجموع جرم‌های تک تک پروتون‌ها و نوترون‌ها دارد.

• جرم واقعی یک هسته هلیوم 4 حدود 4.002602 u است.

انرژی پیوند:

• انرژی آزاد شده در طول تشکیل هسته هلیوم از پروتون ها و نوترون ها به عنوان انرژی پیوند شناخته می شود. این انرژی همان چیزی است که باعث پایداری هسته می شود.

• انرژی پیوند به ازای هر نوکلئون در هلیوم بیشتر از هسته‌های تک تک هیدروژن ها است، به این معنی که وقتی نوکلئون‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند و هسته هلیوم را تشکیل می‌دهند، در حالت پایدارتر و کم انرژی هستند.

نتیجه گیری

به طور خلاصه، اگرچه نوترون‌ها از پروتون‌ها سنگین‌تر هستند، تشکیل یک هسته هلیوم از چهار هسته هیدروژن منجر به از دست دادن خالص جرم به دلیل آزاد شدن انرژی اتصال می‌شود. به همین دلیل است که جرم یک هسته هلیوم کمتر از جرم کل چهار هسته هیدروژن است. تفاوت جرم (کاهش جرم) چیزی است که در طی فرآیند همجوشی در ستاره ها به انرژی تبدیل می شود.

سرچشمه ها:

https://www.storyboardthat.com/lesson-plans/life-cycle-of-a-star/fusion