Куда уходит энергия дефицита массы?

На данном этапе мне кажется, что я услышал две вещи: энергия идет на удержание ядра вместе ИЛИ эта энергия высвобождается (в процессе синтеза... я полагаю?).

И то, и другое, если вы допускаете небрежную и вводящую в заблуждение интерпретацию «энергии… удерживающей ядро ​​вместе».

В процессе синтеза выделяется энергия, которая превращается в кинетическую энергию продуктов реакции. Следовательно, масса покоя продуктов меньше, чем масса реагентов, поскольку масса покоя - это просто полная энергия, измеренная из системы отсчета в состоянии покоя относительно массы. Чтобы собрать энергию синтеза, нужно разработать способ преобразования кинетической энергии продуктов реакции в любую форму, в которой вы хотите.

И наоборот, чтобы разрушить ядро ​​гелия обратной реакцией, мы должны вернуть энергию в систему, чтобы это произошло. Поскольку ядра формируются из меньших частей в экзотермических ядерных реакциях, сильная ядерная сила в конечном итоге подавляет первоначально отталкивающую электромагнитную силу, так что происходит чистое высвобождение энергии, скорее похожее на расслабление растянутой пружины и, таким образом, преобразование ее потенциал в кинетическую энергию, когда это происходит. . Обратный процесс, т.е.снова расщепить ядро ​​или растянуть пружину, энергия должна быть возвращена в систему, и реверсия не может произойти, пока это не произойдет. Именно в этом смысле «энергия удерживает ядро ​​вместе»: энергетический «долг» должен быть «погашен» до того, как произойдет обратный процесс деления / растяжения струны. Представление о том, что ядро ​​постоянно выполняет работу, чтобы удержать себя вместе, неверно и, к сожалению, имеет тенденцию быть тем, как люди читают утверждение: «Энергия идет на то, чтобы удерживать ядро ​​вместе». Это было обычное объяснение непрофессионала в популярных/детских научных книгах 1970-х и 1980-х годов, которое, к сожалению, все еще, казалось бы, живо.

Как и в ответе Дэвида Элма, только относительно легкие ядра выделяют энергию в результате синтеза. Наиболее стабильными нуклеозами из всех, т. е . с наименьшей массой покоя на нуклон и, таким образом, наиболее прочно связанными нуклеозами, являются железо 56 и никель 62 . Экзотермические реакции для ядер, более тяжелых или более легких, чем эти, обычно представляют собой реакции деления и синтеза соответственно.

Всякий раз, когда потенциальная энергия системы уменьшается, масса этой системы уменьшается на$m=\frac{E}{c^2}$.

Изменение массы обычно очень мало, поэтому оно действительно становится заметным только тогда, когда это изменение потенциальной энергии очень велико, как это происходит при перегруппировке нуклонов (протонов и нейтронов).

Иногда соединение нуклонов уменьшает энергию системы (слияние), но иногда нуклоны, расщепляющиеся друг от друга, уменьшают энергию (деление).

Избыточная энергия переходит в кинетическую энергию продуктов. Чтобы использовать простой пример слияния DT ($^2H + \,\!^3H \;\rightarrow \;^4He + n$), два ядра водорода имеют большую общую массу, чем ядро ​​гелия и нейтрон. Однако ядро ​​гелия и нейтрон движутся быстрее, чем ядра водорода, так что дополнительная кинетическая энергия точно уравновешивает потерянную массу.

Этот пример искусственный, но иллюстративный.

Всегда можно считать заданным закон сохранения энергии:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

Если эта реакция произошла таким образом (это не так, но это неважно)$E_x>0$энергия$E_x$надо как-то рассеяться. Как только он уйдет, вы не сможете затормозить$^4$Он, если вы не принесете$E_x$назад. С этой точки зрения вы можете назвать эту недостающую энергию$E_x$« энергия связи» .

На шаг вперед — процесс формирования можно представить так:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He^*}c^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

видеть$^4$Он$^*$- это означает гелий, то есть (гипотетически) в таком возбужденном состоянии, что он в равной степени может образовывать стабильное$^4$Он или снова диссоциирует - просто случайным образом - И его масса ничуть не меньше, чем у 2p+2n. Видите ли, возбужденное состояние имеет массу, отличную от массы основного состояния.

Энергия$E_x$обычно уходит с какой-то частицей или гамма-излучением (в этом гипотетическом случае с энергией$E_\gamma=E_x$) и способ его удаления также должен подчиняться закону сохранения импульса.