Defekt masy

Wielu z nas z pewnością zna ten cytat: „Całość to coś więcej niż suma jej elementów”. Są to słowa wypowiedziane przez greckiego filozofa i przyrodnika Arystotelesa, któremu zresztą przypisywane są także następujące cytaty: „Nawet myślenie szkodzi niekiedy zdrowiu.” i „Ileż jest rzeczy, których nie potrzebuję”. W „Fizyce”, jednym z jego głównych dzieł, Arystoteles filozofował na temat m.in. przestrzeni, czasu, ruchu czy „przyczyny sprawczej”, ale nie na temat jąder atomowych – nie wiedziano jeszcze wtedy o ich istnieniu.

Własności struktury jądrowej nie są prostą sumą własności składników – swobodny neutron nie jest trwały – rozpada się z czasem połowicznego rozpadu ok. 10 min, a gdy jest związany w jądrze atomowym to cała struktura może mieć czas połowicznego rozpadu nawet 10²² i więcej lat.

Defekt masy na przykładzie jądra atomu helu

To, jak mocno są związane nukleony w jądrze, da się obliczyć. Najłatwiej można przedstawić to na przykładzie jądra atomu helu. Składa się ono z dwóch protonów i dwóch neutronów. Masa jądra helu m_He musiałaby teoretycznie równać się

2 masom protonów (m_p) + 2 masom neutronów (m_n­)

a więc

2 ∙ 1,67262∙10^-27 kg + 2 ∙ 1,67493 ∙ 10^-27 kg

i wynieść:

2 ∙ m_p = 3,34524 ∙ 10^-27 kg

2 ∙ m_n = 3,34986 ∙ 10^-27 kg

m_{2p + 2n} = 6,69510 ∙ 10^-27 kg

Dokładne pomiary masy atomu helu – po odjęciu masy obu elektronów – pozwoliły na ocenę masy jądra helu i wykazały, że jego masa m_He = 6,644656 ∙ 10^-27 kg. Masa jądra helu jest więc o 0,050444 ∙ 10^-27 kg mniejsza od sumy mas poszczególnych nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego. Niedobór ten stanowi około 0,8 %.

Deficyt masy – zwany również defektem masy – jest wynikiem tego, że przy łączeniu się protonów i neutronów w jądro mała część ich mas przekształcana jest w energię – konieczną do związania razem dwóch protonów i dwóch neutronów. Aby znowu rozbić jądro helu na części składowe, do jądra musiałaby być ponownie dostarczona energia, wydatkowana przy jego powstawaniu. Deficyt masy jest miarą energii odpowiedzialnej za wiązanie nukleonów.