Modern Fizik · 10. Ünite: Çekirdek Fiziği

Bağlanma Enerjisi ve Sıvı Damlası Modeli

Bir çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan serbest proton ve nötronların kütleleri toplamından küçüktür; aradaki fark $E=\Delta m\,c^2$ kadar enerji olarak çekirdeği bir arada tutar. Bu bölümde kütle kusurunu ve bağlanma enerjisini hesaplar, nükleon başına bağlanma enerjisi (B/A) eğrisinin füzyon ve fisyondan enerji alınabilmesini nasıl açıkladığını görür ve Weizsäcker yarı-deneysel kütle formülünün beş teriminin fiziksel kaynağını sıvı damlası modeliyle yorumlarsın.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: kütlenin enerji yüzü

  2. Kütle kusuru ve bağlanma enerjisi

  3. B/A eğrisi: füzyon ve fisyon

  4. Sıvı damlası modeli: Weizsäcker kütle formülü

  5. Çözümlü örnekler

  6. Sihirli sayılar ve modelin sınırları

  7. Sık yapılan hatalar ve kavram yanılgıları

Anahtar terimler

Kütle kusuru (mass defect)
Serbest nükleonların toplam kütlesi ile çekirdeğin kütlesi arasındaki fark, $\Delta m = Zm_H + Nm_n - M$.
Bağlanma enerjisi (binding energy)
Çekirdeği serbest nükleonlarına ayırmak için gereken enerji, $B = \Delta m\,c^2$.
B/A eğrisi
Nükleon başına bağlanma enerjisinin kütle numarasına göre grafiği; $A\approx56\text{–}62$'de $\approx8{,}8\,\text{MeV}$ ile maksimumdur.
Füzyon (fusion)
Hafif çekirdeklerin birleşmesi; $A\lesssim60$'ta B/A artar ve enerji açığa çıkar.
Fisyon (fission)
Ağır çekirdeğin bölünmesi; $A\gtrsim60$'ta B/A artar ve enerji açığa çıkar.
Weizsäcker formülü (SEMF)
Sıvı damlası modeline dayanan yarı-deneysel kütle formülü; hacim, yüzey, Coulomb, asimetri ve çiftlenme terimlerinden oluşur.
Asimetri enerjisi
Pauli ilkesi nedeniyle $N\neq Z$ durumunda bağlanmayı azaltan terim, $-a_A(A-2Z)^2/A$.
Çiftlenme terimi
Çift–çift çekirdekleri sıkı bağlayan, tek–tek çekirdekleri gevşek bağlayan $\pm a_P/\sqrt A$ düzeltmesi.
Sihirli sayılar
$2,8,20,28,50,82,126$; kapalı kabuk oluşturup çekirdeği özellikle kararlı yapan proton/nötron sayıları.

Örnek soru

$M(^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,u$ ve $m_H = 1{,}007825\,u$, $m_n = 1{,}008665\,u$, $1\,u = 931{,}494\,\text{MeV}/c^2$ olduğuna göre $^{4}\text{He}$'nin toplam bağlanma enerjisi yaklaşık kaç MeV'dir?

  1. 28,3 MeV
  2. 7,07 MeV
  3. 14,2 MeV
  4. 56,6 MeV
  5. 0,0304 MeV

Doğru cevap: A

Çözüm

1. $\Delta m = 2(1{,}007825) + 2(1{,}008665) - 4{,}002603 = 0{,}030377\,u$.
2. $B = 0{,}030377\cdot931{,}494 = 28{,}3\,\text{MeV}$.
28,3 MeV. "7,07" nükleon başına değerdir ($B/A$), "56,6" iki kat alınmış, "14,2" yarıya bölünmüş, "0,0304" ise $\Delta m$'nin $u$ cinsinden değerinin MeV sanılmasıdır.

Modern Fizik: tüm konular