Nukleus atom terdiri daripada proton dan neutron yang disebut nukleon. Jika jisim semua nukleon bebas dijumlahkan, hasilnya lebih besar daripada jisim nukleus yang telah terbentuk. Perbezaan ini dipanggil kecacatan jisim. Melalui hubungan tenaga dan jisim, perbezaan jisim itu sepadan dengan tenaga yang dibebaskan apabila nukleus terbentuk.
Tenaga ikatan mengukur tenaga untuk memisahkan nukleus
Tenaga ikatan nuklear ialah tenaga minimum yang perlu dibekalkan untuk memisahkan sebuah nukleus kepada proton dan neutron bebas pada keadaan yang sama. Secara ideal, nilainya sama dengan tenaga yang dilepaskan apabila nukleus terbentuk daripada nukleon bebas. Hubungannya boleh ditulis sebagai E = Δmc², dengan Δm sebagai kecacatan jisim.
Tenaga ikatan bagi setiap nukleon membandingkan kestabilan relatif
Nukleus yang lebih besar mempunyai lebih banyak nukleon, jadi jumlah tenaga ikatan sahaja tidak sesuai untuk membandingkan semua nukleus. Ahli fizik menggunakan tenaga ikatan per nukleon, iaitu jumlah tenaga ikatan dibahagi dengan bilangan nukleon. Nilai ini meningkat bagi banyak nukleus ringan, mencapai kawasan tinggi sekitar besi dan nikel, kemudian menurun secara perlahan bagi nukleus yang sangat berat.
Contoh pengiraan: helium-4
Nukleus helium-4 mengandungi dua proton dan dua neutron. Jisim proton kira-kira 1.00728 u dan jisim neutron kira-kira 1.00866 u, jadi jumlah jisim empat nukleon bebas ialah kira-kira 4.03188 u. Jisim nukleus helium-4 kira-kira 4.00151 u. Maka kecacatan jisim Δm ialah kira-kira 0.0304 u. Dengan 1 u bersamaan kira-kira 931.5 MeV/c², tenaga ikatan E = Δmc² ialah kira-kira 0.0304 × 931.5 ≈ 28.3 MeV. Tenaga ikatan per nukleon ialah 28.3/4 ≈ 7.07 MeV.
Puncak lengkung berada di kawasan besi dan nikel
Tenaga ikatan per nukleon mencapai kira-kira 8.8 MeV di kawasan sekitar besi-56, besi-58 dan nikel-62. Nikel-62 mempunyai tenaga ikatan per nukleon yang sedikit lebih tinggi, manakala besi-56 mempunyai jisim per nukleon yang terendah dan lebih lazim disebut. Perbezaan antara isotop ini sangat kecil, jadi lebih tepat menyebut kawasan besi dan nikel daripada menamakan satu isotop sebagai paling stabil dalam semua maksud.
Fisi dan fusi boleh melepaskan tenaga melalui perbezaan keadaan ikatan
Apabila nukleus ringan bergabung menjadi hasil yang mempunyai tenaga ikatan per nukleon lebih tinggi, sebahagian perbezaan tenaga boleh dilepaskan. Prinsip yang sama menerangkan mengapa pembelahan sesetengah nukleus berat kepada hasil yang lebih sederhana boleh membebaskan tenaga. Namun graf tenaga ikatan sahaja tidak menentukan sama ada sesuatu tindak balas akan berlaku dengan mudah; halangan tenaga, struktur nuklear dan kadar tindak balas juga penting.
Jisim tepat menghubungkan eksperimen dengan tenaga ikatan
Spektrometri jisim dan ukuran tindak balas nuklear membolehkan jisim isotop diketahui dengan sangat tepat. Daripada jisim itu, kecacatan jisim dan tenaga ikatan boleh dihitung. Pengukuran tenaga zarah atau sinaran dalam tindak balas pula memberikan semakan bebas terhadap perubahan tenaga yang dijangka daripada perbezaan jisim.
Kestabilan nukleus tidak ditentukan oleh satu nombor sahaja
Tenaga ikatan mencerminkan keseimbangan antara interaksi nuklear yang menarik nukleon pada jarak sangat pendek dan tolakan elektrik antara proton. Nisbah neutron kepada proton, susunan aras tenaga dan kesan struktur nuklear turut mempengaruhi kestabilan. Dua nukleus dengan tenaga ikatan per nukleon yang hampir sama masih boleh mempunyai corak pereputan dan jangka hayat yang sangat berbeza.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah maksud kecacatan jisim bagi sebuah nukleus?