Question

Почему общая масса ядра меньше, чем сумма масс протонов и нейтронов, составляющих ядро

Answer 1

Это явление называется "Дефект массы" - уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме.

Если "разобрать" ядро атома на отдельные протоны и нейтроны (например, с помощью ядерной реакции) , то их масса вновь примет именно те значения, которые нам уже известны: 1,00728 а. е. м. для протона и 1,00867 а. е. м. для нейтрона.

Дефект массы является следствием универсального соотношения
E = Mc^2,
вытекающего из теории относительности А. Эйнштейна, где E - полная энергия системы, c = 3.1010 см/сек - скорость света в пустоте, M - масса системы (в нашем случае - атома) . Тогда DM = DЕ/c2, где DM - дефект массы, а DE - энергия связи нуклонов в ядре, т. е. энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра атома на отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, чем больше дефект массы, тем больше энергия связывания нуклонов в ядре и тем устойчивее ядро атома элемента. С увеличением числа протонов в ядре (и массового числа) дефект массы сначала возрастает от нуля (для 1H) до максимума (у 64Ni), а затем постепенно убывает для более тяжелых элементов.

Answer 2

Объяснение этому феномену связано с концепцией массового дефекта и ядерными связями.

Когда протоны и нейтроны объединяются в ядро, они находятся в состоянии ядерных связей. В этом состоянии они имеют меньшую потенциальную энергию, чем если бы они находились раздельно. Однако для их объединения требуется энергия, так как протоны, будучи положительно заряженными, отталкиваются друг от друга из-за электростатического отталкивания.

Когда протоны и нейтроны объединяются в ядро, происходит освобождение энергии в виде связывающей энергии, которая компенсирует затраты энергии на преодоление отталкивающих сил. Однако массовый дефект означает, что общая масса ядра после образования меньше, чем сумма масс индивидуальных нуклонов (протонов и нейтронов), которые входят в его состав.

Это происходит потому, что по эйнштейновской формуле E=mc^2 масса и энергия связаны между собой. В процессе образования ядра часть массы превращается в энергию связей. Эта потеря массы приводит к небольшому снижению общей массы ядра. Таким образом, массовый дефект объясняет, почему общая масса ядра меньше, чем сумма масс его составляющих нуклонов.