Дефект массы
Дефе́кт ма́ссы (англ. mass defect) ΔM — разность между суммой масс отдельных составляющих какой-либо связанной физической системы взаимодействующих объектов (тел, частиц), находящихся в свободном состоянии, и массой само́й этой системы. В таком определении знак дефекта масс положителен; иногда дефект масс определяют как разность между массой системы и суммой масс компонент, в этом случае знак отрицателен[1]. С точностью до коэффициента c2 дефект массы равен энергии связи Eсв системы:
- [math]\displaystyle{ \Delta M c^2 = E_\text{св}. }[/math]
Так, дефект масс атомного ядра — связанной системы из Z протонов и N нейтронов — равен
- [math]\displaystyle{ \Delta M = Z m_p + N m_n - M(Z, N) , }[/math]
где mp и mn — массы свободных протона и нейтрона, соответственно,
- M(Z, N) — масса ядра.
Например, масса Md дейтрона (ядра атома дейтерия, тяжёлого изотопа водорода 2H), состоящего из одного протона и одного нейтрона, равна 2,013 553 а.е.м.[2] (1875,613 МэВ/c2 в энергетическом эквиваленте)[3]. Масса свободного протона равна 1,007 276 а.е.м.[4] (938,272 МэВ/c2)[5], нейтрона — 1,008 665 а.е.м.[6] (939,565 МэВ/c2)[7]. Дефект масс будет равен
- ΔMd = mp + mn − Md = 0,002 388 а.е.м. = 2,224 МэВ/c2.
В результате слияния одного моля протонов (масса 1,007 276 г) и одного моля нейтронов (масса 1,008 665 г) образуется 1 моль дейтронов массой 2,013 553 г, что на 0,002 388 г меньше, чем сумма масс исходных компонентов. Указанный дефект массы выделится как энергия, равная энергии связи одного дейтрона (Eсв(d) = 2,224 МэВ), умноженной на число Авогадро (количество дейтронов в одном моле): 2,224 МэВ · NA = 214,6 ГДж (эквивалентно теплоте сгорания 5 тонн бензина).
Для атомных ядер понятие дефекта массы тесно связано с понятием упаковочного коэффициента (упаковочного множителя) f или удельной энергии связи εсв, т.е. дефекта массы или энергии связи, приходящихся на один нуклон:
- f = ΔM / A,
- εсв = Eсв / A,
где A = Z + N — массовое число, общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Удельная энергия связи и упаковочный коэффициент характеризуют устойчивость ядра.
Можно определить также относительный дефект массы системы — безразмерную величину, представляющую собой отношение дефекта массы ΔM к сумме масс Mi компонентов системы: Δμ = ΔM/ΣMi. Типичные значения относительного дефекта массы для атомных ядер средней массы составляют 0,008—0,009, для атомов (без учёта дефекта массы ядра) ~10−8...10−6. Астрономические объекты могут иметь существенный гравитационный дефект масс. Так, для звезды, близкой по массе к Солнцу, относительный гравитационный дефект массы составляет ~10−6, для белого карлика ~10−3...10−4, для нейтронной звезды ~10−1. Наибольший относительный дефект масс среди гравитационно связанных объектов характерен для чёрных дыр; он может достигать десятков процентов[1]. Так, при слиянии двух чёрных дыр суммарной массой 65 M⊙, которое вызвало гравитационно-волновой всплеск GW150914, зафиксированный 14 сентября 2015 года, образовалась чёрная дыра массой 62 M⊙; дефект массы в 3 M⊙ был излучён в форме гравитационных волн[8].
Дефект массы всегда возникает в результате превращения энергии связи в энергию излучения (электромагнитного, нейтринного, гравитационного), покидающего образовавшуюся связанную систему[1].
См. также
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Хлопов М. Ю. Дефект массы // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 591. — 707 с. — 100 000 экз.
- ↑ Deuteron mass in u // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018. (Tiesinga E. et al. CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2018 (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 2021. — Vol. 93, no. 2. — P. 025010-1—025010-63. — doi:10.1103/RevModPhys.93.025010.)
- ↑ Deuteron mass energy equivalent in MeV // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018.
- ↑ Proton mass in u // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018.
- ↑ Proton mass energy equivalent in MeV // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018.
- ↑ Neutron mass in u // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018.
- ↑ Proton mass energy equivalent in MeV // The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physical Constants. — National Institute of Standarts and Technologies, 2018.
- ↑ B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (англ.) // Physical Review Letters. — 2016. — Vol. 116, no. 6. — P. 061102. — doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102.
Ссылки
- Астронет. Масса и энергия связи ядра
- Сивухин Д. В. Общий курс физики, т.5, ч. 2