Lição
A teoria — Energia de ligação nuclear e defeito de massa
Um núcleo tem menos massa do que os protões e neutrões que o constituem. A diferença é o defeito de massa; multiplicada por c², corresponde à energia de ligação B, a energia necessária para separar completamente o núcleo. Dividindo-a pelo número de nucleões A, obtém-se B/A, que mede quão fortemente ligado está, em média, cada nucleão. A curva de B/A em função de A mostra que reações libertam energia: se os mesmos protões e neutrões acabam mais fortemente ligados, a reação liberta o ganho de energia de ligação, quer una núcleos leves por fusão, quer divida um núcleo pesado por fissão. A energia libertada por uma reação é o seu valor Q: a diferença entre a massa inicial e a massa final, multiplicada por c².
O que significa cada símbolo
Z- o número de protões, que determina o elemento
N- o número de neutrões, A − Z
Δm- o defeito de massa: a massa de Z átomos de hidrogénio e N neutrões considerados separadamente, menos a massa do átomo. Mede-se em u, sendo 1 u equivalente a 931,494 MeV
B- a energia de ligação, Δm c². B/A é a grandeza representada na curva
Q- a energia libertada por uma reação, igual à massa perdida vezes c². Um valor positivo significa que há libertação de energia; não indica a rapidez da reação, nem sequer se ela ocorre
- Pressupõe
- Usam-se massas atómicas, tal como aparecem na avaliação, pelo que os eletrões são contabilizados nos dois lados e se anulam. A energia de ligação dos próprios eletrões não é separada, em conformidade com a definição de B adotada na avaliação; mesmo no urânio, fica abaixo de um MeV, representando apenas algumas partes em dez mil da energia do núcleo. Para obter a massa do núcleo por nucleão, subtraem-se Z massas eletrónicas. A energia de ligação dos eletrões, que permanece incluída, alteraria o resultado em menos de 0,000001 u no ferro e no níquel, muito abaixo da diferença entre ambos. Q é a energia total libertada, incluindo a transportada pelos neutrinos, que no Sol ronda 2% e nunca se transforma em calor. Consideram-se apenas estados fundamentais: os núcleos estão em repouso e não se encontram excitados.
- Falha quando
- O cálculo não deixa de ser válido, pois consiste apenas em subtrair massas medidas. A página não indica a rapidez de uma reação. Um Q positivo diz que a reação pode libertar energia, não que venha a ocorrer: a cisão do urânio-238 em dois tem Q positivo e quase nunca acontece, enquanto o deutério e o trítio precisam de ser aquecidos a cerca de cem milhões de kelvin para se fundirem a uma taxa útil. A linha da fissão mostra ainda um único par de fragmentos; um reator real produz uma distribuição de fragmentos, cada qual com o seu Q.
Problema resolvido na íntegra
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Quanto hidrogénio consome o Sol por segundo? 5 passos
O Sol irradia 3,828×10²⁶ W, a luminosidade solar nominal adotada pela União Astronómica Internacional em 2015. Quanta massa perde por segundo e quanto hidrogénio transforma em hélio? Prima Hélio-4, o Sol para acompanhar os dois primeiros passos.
Abrir este problema na ferramenta
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Quatro átomos de hidrogénio têm uma massa de 4 × 1,007825 u e um átomo de hélio-4 tem 4,002603 u. Multiplicada por c², a diferença dá a energia de uma cadeia completa:
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Como fração da massa inicial, tal como aparece na página:
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A luz que sai do Sol transporta massa. Dividindo a potência por c²:
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Cada quilograma de hidrogénio cede 0,7119% da sua massa sob a forma de energia. A massa de hidrogénio consumida é, portanto, a massa perdida dividida por essa fração:
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A massa restante transforma-se em hélio:
Resposta
O Sol perde 4,259×10⁹ kg por segundo, pouco mais de quatro milhões de toneladas, e para isso transforma 5,983×10¹¹ kg de hidrogénio, cerca de 600 milhões de toneladas, em 5,941×10¹¹ kg de hélio. A luminosidade não inclui os neutrinos, que transportam cerca de 2% da energia de cada cadeia; a taxa real de consumo de hidrogénio é, por isso, aproximadamente 2% superior.
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Referências (3)
- Every mass on the page: the 2020 Atomic Mass Evaluation's table of mass excesses and binding energies per nucleon, which this page reproduces to under 1 eV for all 98 bound nuclei it carries: M. Wang, W. J. Huang, F. G. Kondev, G. Audi and S. Naimi, "The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references." Chinese Physics C 45(3), 2021, 030003. DOI 10.1088/1674-1137/abddaf
- The paper that corrected the textbook belief that iron-56 is the most tightly bound nucleus: iron-58 and nickel-62 are both bound more strongly, and nickel-62 most of all. It suggests the belief came from studies of stellar nucleosynthesis: M. P. Fewell, "The atomic nuclide with the highest mean binding energy." American Journal of Physics 63(7), 1995, pp. 653-658. DOI 10.1119/1.17828
- The solar luminosity the worked problem starts from, 3.828×10²⁶ W, the nominal value the International Astronomical Union adopted in 2015, rounded from a best estimate of (3.8275 ± 0.0014)×10²⁶ W: A. Prša et al., "Nominal Values for Selected Solar and Planetary Quantities: IAU 2015 Resolution B3." The Astronomical Journal 152(2), 2016, 41. DOI 10.3847/0004-6256/152/2/41