انرژی بستگی هسته

همان طور كه می‌دانید در واكنش های شیمیایی الكترون از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود. در بعضی واكنش‌ها انرژی آزاد می‌شود. اما در بعضی دیگر، واكنش انرژی می‌گیرد تا انجام شود. به عنوان مثال ما برای جدا كردن اكسیژن و هیدروژن در آب باید به آن انرژی بدهیم. در حالی كه برای تشكیل آب از اكسیژن و هیدروژن، انرژی (به صورت گرما) آزاد می‌شود.

به عبارت دیگر می‌توان گفت: آرایش الكترون در اطراف هسته دارای انرژی است و اگر در حین انجام واكنش تغییر آرایش از انرژی زیاد به انرژی كم باشد در این فرآیند انرژی آزاد می‌شود و بر عكس اگر از آرایشی؛ انرژی كم به انرژی زیاد برویم آنگاه نیاز به این داریم كه برای انجام این چنین فرآیندی انرژی بدهیم.

حال با توجه به این كه آرایش نوكلئون‌ها در هسته با انرژی زیاد همراه است آیا می‌توان آرایش نوكلئون‌ها را طوری تغییر دهیم كه انرژی دریافت كنیم؟ آیا می‌توان به فكر استفاده از انرژی هسته‌ای باشیم؟

نخستین كسی كه انرژی تولید شده توسط عنصرهای رادیو اكتیو را اندازه گرفت"پیر كوری" بود. وی در سال 1280  شمسی (190 1 م) انرژی مقداری ماده رادیوم را اندازه گرفت و به این نتیجه رسید كه اگر 28 گرم از عنصر رادیوم موجود باشد در عرض یك ساعت 4000 كالری به صورت پرتوزایی آزاد می‌كند.

البته در مقایسه با انرژی حاصل از سوختن 28 گرم نفت (كه معادل 32500  كالری است) مقدار زیادی نیست. اما تفاوت در این جا است كه بعد از سوختن 28 گرم نفت انرژی آن تمام می‌شود ولی 28 گرم رادیوم در یك ساعت اول 4000 كالری انرژی آزاد می‌كند و در ساعت‌های بعدی باز هم انرژی آزاد می‌شود.

به طوری كه در عرض 10 ساعت 40000  كالری آزاد می‌گردد (كه از 32500 كالری مربوط به سوختن نفت بیشتر است) و در طی چند روز انرژیی كه از 28 گرم رادیوم آزاد شده دیگر قابل مقایسه با انرژی سوختن 28 گرم نفت نخواهد بود. بنابراین توجه به انرژی هسته‌ای ضروری است.

حال سۆال مهمی كه پیش می‌آید اینست كه این انرژی از كجا می‌آید؟ چرا رادیوم در واپاشی باید انرژی آزاد كند؟

آزمایش‌های دقیق نشان می‌دهد كه جرم اتمی همواره كمتر از مجموع جرم‌های ذرّات تشكیل دهنده هسته در حالت آزاد می‌باشد. به عنوان نمونه ساده ترین اتم كه شامل یك الكترون، یك پروتون و یك نوترون می‌باشد ایزوتوپ هیدروژن، دو تریم

  است كه برای آن داریم:

مجموع آن ها برابر است با:  3/347 * 10^-27 kg

در حالی كه جرم اتم دو تریم برابر است با: 3/343 * 10^-27 kg

یعنی وقتی پروتون، نوترون و الكترون را كنار هم می‌گذاریم با جرم كمتری رو به ‌رو می‌شویم.

چرا جرم هسته از جرم مجموع نوكلئون‌ها كمتر است؟

برای جدا كردن نوكلئون‌ها باید انرژی مصرف كنیم. بنابراین وقتی نوكلئون‌ها كنار هم قرار می‌گیرند انرژی آزاد می‌كنند. طبق نظریه نسبیت"انیشتین" جرم و انرژی می‌توانند به هم تبدیل شوند. رابطه‌ای كه جرم و انرژی را به هم مربوط می‌كند به صورت زیر می‌باشد: E=mc²

بنابراین طبق این نظریه و با توجه به اینكه جرم هسته از مجموع جرم اجزاء آن كمتر است می‌توان گفت وقتی نوكلئون‌ها كنار هم قرار می‌گیرند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود و این همان انرژی آزاد شده‌ای است كه در فرآیند واپاشی به محیط داده می‌شود.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی

تنظیم: مریم فروزان کیا