§ 62. Энергия связи. Дефект масс

Протоны и нейтроны сидят в ядре так плотно, что растащить их поодиночке непросто: держат ядерные силы. Чтобы превратить нуклоны в свободные, то есть переставшие действовать друг на друга частицы, надо поработать против этого притяжения — сообщить ядру порцию энергии извне. Обратный ход даёт тот же счёт: когда нуклоны сходятся в ядро, ровно такая же порция уходит наружу. Иного закон сохранения энергии и не позволяет.

Запомни: энергией связи ядра называют наименьшую энергию, которую надо затратить, чтобы разделить ядро на свободные нуклоны.

Почему эта энергия так велика, видно из рис. 1. По горизонтали отложено расстояние между нуклонами в фемтометрах (фм), по вертикали — сила. Проследи красную кривую a: у самой поверхности ядра она проваливается в глубокую яму притяжения, а уже к 3–4 фм прижимается к нулю. Чёрная кривая c — электрическое отталкивание протонов: оно слабее, зато тянется далеко.

Как измерить такую энергию? Прямо на весах — никак, зато выручает закон взаимосвязи массы и энергии, полученный Эйнштейном в 1905 г. По этому закону масса m системы частиц и её энергия покоя E₀, то есть внутренняя энергия системы, прямо пропорциональны друг другу:

E₀ = mc², где m — масса системы (кг), E₀ — её энергия покоя (Дж), c = 3·10⁸ м/с — это скорость света в вакууме.

Теперь соберём ядро мысленно. При слиянии нуклонов энергия выделяется и уносится родившимися фотонами, значит, энергия покоя системы убывает, а вместе с ней убывает и масса.