Почему масса ядра уменьшается после связывания его компонентов (протонов и нейтронов)? [дубликат]

Сильное взаимодействие — это то, что удерживает кварки и глюоны в заточении в протоне или нейтроне, а остаточное сильное взаимодействие или ядерное взаимодействие — это сила, которая удерживает протоны и нейтроны в ядре.

Теперь ядро ​​имеет меньшую массу, чем сумма его составляющих. Причина в том, что вам нужно добавить энергию, чтобы вернуть составляющие (разделить их).

Энергия, которую вам нужно добавить к связанной системе, чтобы снова сделать ее несвязанной (чтобы разделить протоны и нейтроны ядра), представляет собой точно такую ​​же энергию (или дефект массы), которая отсутствует в связанной системе, когда вы измеряете ее по сравнению с суммой из отдельных составляющих.

Вот почему это называется дефектом массы, и именно поэтому мы используем E=m*c^2, потому что недостающая масса, о которой вы спрашиваете, точно такая же, как энергия, которая связывает ядро ​​(протоны и нейтроны). . И это точно такая же энергия, которую вам нужно добавить в систему, чтобы снова разделить нейтроны и протоны, поэтому

Энергия (связывание) = Энергия (которую нужно снова разделить) = (дефект массы) * c^2

Таким образом, вы можете преобразовать энергию в массу.

Следует иметь в виду, что есть две общие рамки, в которых используется термин «масса». Одна из них — классическая структура, в которой$m$инерционная масса для$F=ma$, и законы Ньютона доминируют, и можно использовать принцип Архимеда для расчета массы сплавов. В этой системе масса является аддитивно сохраняющейся величиной. Это тоже низкоскоростные системы отсчета, т.е. скорости очень малые по сравнению со скоростью света. Классическая физическая система.

Для скоростей, близких к скорости света, нельзя использовать преобразования Галилея (необходимые для ньютоновской механики) для перехода от одной системы отсчета к другой, но преобразования Лоренца . Нужно использовать четыре вектора, $(E,p_x,p_y,p_z)$а «длина» этого четырех вектора называется инвариантной массой, характеризующей систему. Частицы характеризуются этой массой$m$при измерении по отдельности, но при измерении в системе необходимо сложить четыре вектора, и сумма может отличаться от суммы отдельных масс, составляющих систему.

Второй фрейм — это фрейм атомов, молекул, частиц, микрофрейм, потому что расстояния малы, и регулируется квантовой механикой и специальной теорией относительности.

Протоны и нейтроны внутри ядра находятся в квантово-механически связанном состоянии, т.е. в состоянии потенциальной ямы. Их свободная частица четырех векторов при попадании в потенциальную яму, при создании ядра, теряла энергию и импульс за счет излучения$( α, β, γ )$и сложение четырех векторов ядер, составляющих ядро, имеет общую массу меньше суммы масс свободных ядер.

Имея в виду вышеизложенное, давайте посмотрим на вопрос:

Масса ядра должна быть равна сумме масс протонов и нейтронов,

Только в системе классической физики, которая не является системой протонов и нейтронов.

но после связывания этих частиц его масса уменьшается. Почему?

Из-за специальной теории относительности, которая устанавливает связь между массами систем, состоящих из составляющих, посредством четырех векторов каждой составляющей и закона сложения четырех векторов.

Из-за уменьшения массы протонов или нейронов?

Протоны и нейтроны в потенциале ядра описываются виртуальными четырьмя векторами, и да, эти четыре вектора имеют мгновенно разные массы, меньшие, чем масса покоя свободной частицы.

Тогда какова цель расчетной массы?

Измеренная масса покоя (или инвариантная) массы отдельных протонов и нейтронов инвариантна, когда частицы свободны. Измеренная масса покоя составного ядра также неизменна. Разница между суммой отдельных масс и массой ядра говорит о том, сколько энергии потребуется, чтобы освободить протоны и нейтроны за пределами их застроенной потенциальной ямы. Потенциальная яма системы нуклонов создается сильным взаимодействием , перетеканием квантовой хормодинамической силы между кварками, из которых состоят нейтроны и протоны.

Закон сохранения энергии является одним из «строительных блоков», на которых построена классическая физика, поэтому представьте себе «сюрприз», когда в 1932 году Кокрофт и Уолтон провели эксперимент, который показал, что энергию можно создать.
Кокрофт и Уолтон использовали свой ускоритель, чтобы придать протонам (ионам водорода) достаточную кинетическую энергию, чтобы при столкновении протона с ядром лития образовались две альфа-частицы (ядра гелия).

$\rm ^1_1H+^7_3Li \rightarrow ^4_2He+ ^4_2He$

Знание кинетических энергий протонов и измерение кинетической энергии альфа-частиц показало, что в этой реакции «создается» кинетическая энергия.

В 1905 году Эйнштейн постулировал идею эквивалентности энергии и массы.$E=mc^2$и, используя известные массы атомов/ядер водорода, лития и гелия, Кокрофт и Уолтон показали, что в исследуемой ими реакции общая масса продуктов была меньше общей массы реагентов ровно на ту же величину, которая предсказывалась по формуле Эйнштейна. .

Теперь вы можете спросить, почему закон сохранения массы использовался и до сих пор используется химиками и другими учеными в других областях.
Ответ заключается в том, что в химических реакциях задействованные энергии гораздо меньше (~эВ, ~$1.6\times 10^{-19}\rm J$), чем в ядерных реакциях (~ МэВ) с соответствующим гораздо меньшим (и неизмеримым) уменьшением массы.
Это уменьшение массы происходит даже при растяжении пружины!

Энергия связи протонов и нейтронов в ядре достаточно велика, чтобы часть массы связанного ядра (выражаемая просто как сумма масс отдельных нуклонов) превращалась в энергию связи (E = mc^2) и, следовательно, "отсутствует" в этой сумме.

рассмотрим простейший случай: если протон приближается к нейтрону, они начинают взаимодействовать через сильную силу, и в такой системе возникает избыток энергии, которая может быть излучена или унесена другой частицей, и если это произойдет, то эти протоны и нейтрон остались бы вместе, теперь они весят меньше, так как часть энергии ушла, и чтобы разлучить их, мы теперь должны приложить некоторую энергию к системе

объединение протонов и нейтронов делает атомы ядерными, некоторые комбинации стабильны, и у нас есть стабильные элементы, другие комбинации нет и имеют тенденцию переходить в состояние с более низкой энергией, и процесс, который мы наблюдаем, мы называем радиоактивностью.

глубоко внутри звезд более легкие элементы превращаются в более тяжелые, а выделяющаяся энергия позволяет звездам светить многие миллионы и миллиарды лет, однако этот процесс останавливается на железе, имеющем сочетание нейтронов и протонов с наименьшей энергией