RuukkilabraLukion fysiikka
FY8 · Luku 10

Massavaje ja ytimen sidosenergia

Miksi helium-4-atomi on kevyempi kuin kaksi vetyatomia ja kaksi neutronia yhteensä, vaikka se koostuu juuri niistä?

Pohjatiedot

Ydinpolku: etene vaiheiden mukaan. Valinnainen-merkityt tehtävät tarjoavat lisäharjoittelua. Valinnaisia tehtäviä 4.

Pohdinta

Helium-4-atomissa on kaksi protonia, kaksi neutronia ja kaksi elektronia. Samat hiukkaset ovat kahdessa vetyatomissa ja kahdessa neutronissa, ja niiden yhteinen massa on $4{,}032980\,\text{u}$. Helium-4-atomin massa on kuitenkin vain $4{,}002603\,\text{u}$. Ero on alle prosentti, mutta massat tunnetaan miljoonasosan tarkkuudella, joten ero on todellinen.

Mihin helium-4:n puuttuva massa on mennyt, kun protonit ja neutronit liittyvät yhteen ytimeksi?

Valinnainen Kertaa: alfahajoaminen
Polonium-210 ${}^{210}_{84}\text{Po}$ hajoaa alfahajoamisella. Mikä tytärydin syntyy?

Ennusta

Tee ennusteet ennen tutkimista 2 kysymystä

Ennuste 1: kevyistä raskaisiin

Ytimen sidosenergia nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ kertoo, kuinka lujasti nukleonit ovat keskimäärin sitoutuneet. Miten se muuttuu, kun siirrytään kevyimmistä ytimistä raskaimpiin, deuteriumista uraaniin?

Ennuste 2: helium vai litium

Litium-7-ytimessä on seitsemän nukleonia ja helium-4-ytimessä neljä. Kummassa ytimessä sidosenergia nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ on suurempi?

Tutki

Valitse ydin. Vaaka vertaa erillisten nukleonien massaa atomin massaan, ja kuvaaja näyttää jokaisen tutkimasi ytimen sidosenergian nukleonia kohti.

Simulaatio

Käyttöohje

Valitse Ydin -valikosta ydinlaji. Vasemmassa kupissa ovat ytimen $Z$ vetyatomia ja $N$ neutronia erillään (punainen protoni, harmaa neutroni), oikeassa kupissa sama atomi, jonka nukleonit ovat sitoutuneet tiiviiksi ytimeksi. Kuppien alla ovat niiden massat ja yläreunassa massavaje $\Delta m$. Vaaka kallistuu raskaamman eli erillisten nukleonien puolelle; kallistus on liioiteltu, jotta sen näkee. Kuvaajaan jää piste jokaisesta tutkimastasi ytimestä, ja nykyinen ydin on rengastettu. Näytä kaikki ytimet piirtää myös taulukon muut ytimet vaaleina renkaina, ja Tyhjennä kuvaaja poistaa tutkitut pisteet.

Mallin oletukset

Atomien massat ovat atomimassataulukon AME2020 arvoja (IAEA:n Atomic Mass Data Center) kuuden desimaalin tarkkuudella. Massavaje lasketaan vetyatomien ${}^{1}\text{H}$ eikä protonien massoista, jotta elektronien massat kumoutuvat. Elektronien omaa, hyvin pientä sidosenergiaa atomissa ei oteta huomioon. Taulukossa on $32$ ydinlajia, yksi tai kaksi kustakin alkuaineesta. Lukemat ovat näistä massoista laskettuja mallin arvoja eivätkä omia mittauksia.

Laskennan selitys

Erillisten nukleonien massa on $Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n}$, missä $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$ ja $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$. Massavaje on $\Delta m = Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi}$, ja sidosenergia saadaan sijoittamalla $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$ yhtälöön $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$. Kuvaajan pystyakselilla on $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ ja vaaka-akselilla massaluku $A$.

Koe 1: kevyet ytimet

Testaa ennuste 2. Valitse ytimet järjestyksessä vety-2 (deuterium), helium-4, litium-7, hiili-12 ja happi-16. Kirjaa jokaisesta massavaje $\Delta m$, sidosenergia $E_\text{B}$ ja sidosenergia nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$, ainakin kolmesta ensimmäisestä.

Alkutila: ydin: vety-2. Vakiona: ei mitään. Muutetaan: ydin.

Simulaation lukemat
ydin$\Delta m$ $(\text{u})$$E_\text{B}$ $(\text{MeV})$$E_\text{B}/A$ $(\text{MeV})$

Koe 2: keskiraskaat ja raskaat ytimet

Testaa ennuste 1. Kirjaa samat suureet ytimistä rauta-56, nikkeli-62, hopea-107, lyijy-208 ja uraani-238, ainakin kolmesta. Paina lopuksi Näytä kaikki ytimet ja katso koko kuvaajaa.

Alkutila: ydin: rauta-56. Vakiona: ei mitään. Muutetaan: ydin.

Simulaation lukemat
ydin$\Delta m$ $(\text{u})$$E_\text{B}$ $(\text{MeV})$$E_\text{B}/A$ $(\text{MeV})$

Johtopäätös: sidosenergiakäyrä

Kirjoita taulukoidesi perusteella: Miten sidosenergia nukleonia kohti muuttuu massaluvun kasvaessa, ja minkä ytimien kohdalla se on suurin? Mikä kevyt ydin poikkeaa naapureistaan? Kumpi on tiiviimmin sidottu, rauta-56 vai uraani-238, vaikka uraanin koko sidosenergia on paljon suurempi?

Teoriatiivistelmä

Ydinajatus

Atomimassayksikkö

Atomien ja ytimien massat ilmoitetaan atomimassayksikköinä. Atomimassayksikkö $\text{u}$ on määritelty niin, että hiili-12-atomin massa on tasan $12\,\text{u}$, joten $1\,\text{u} = 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$. Protonin ja neutronin massat ovat kumpikin noin $1\,\text{u}$, joten atomin massa atomimassayksikköinä on lähellä sen massalukua $A$, mutta ei tasan sama. Taulukon arvot ovat atomien massoja: niihin sisältyvät myös elektronit. Vetyatomin ${}^{1}\text{H}$ massa on protonin ja elektronin massa yhteensä.

Hiukkanen Merkintä Massa ($\text{u}$)
vety-1 ${}^{1}\text{H}$ $1{,}007825$
neutroni $\text{n}$ $1{,}008665$
vety-2 ${}^{2}\text{H}$ $2{,}014102$
helium-4 ${}^{4}\text{He}$ $4{,}002603$
hiili-12 ${}^{12}\text{C}$ $12{,}000000$
happi-16 ${}^{16}\text{O}$ $15{,}994915$
rauta-56 ${}^{56}\text{Fe}$ $55{,}934936$
uraani-238 ${}^{238}\text{U}$ $238{,}050787$

Lähde: atomimassataulukko AME2020 (Atomic Mass Evaluation 2020, IAEA:n Atomic Mass Data Center), pyöristetty kuuteen desimaaliin. Ytimen massoissa tarvitaan näin monta desimaalia, koska tärkeät erot ovat pieniä.

Massavaje

Helium-4-atomissa on kaksi protonia, kaksi neutronia ja kaksi elektronia. Samat hiukkaset ovat kahdessa vetyatomissa ja kahdessa neutronissa, joiden yhteinen massa on $2 \cdot 1{,}007825\,\text{u} + 2 \cdot 1{,}008665\,\text{u} = 4{,}032980\,\text{u}$. Helium-4-atomin massa on kuitenkin vain $4{,}002603\,\text{u}$. Kun nukleonit ovat sitoutuneet ytimeksi, niiden massa on pienempi kuin erillään. Erotus $4{,}032980\,\text{u} - 4{,}002603\,\text{u} = 0{,}030377\,\text{u}$ on ytimen massavaje $\Delta m$, noin $0{,}76\,\%$ atomin massasta. Vetyatomeja käytetään erillisten protonien sijaan, jotta elektronien massat kumoutuvat: molemmilla puolilla on kaksi elektronia.

$4{,}000$
$4{,}010$
$4{,}020$
$4{,}030$
$4{,}040$
$m\ (\text{u})$
$4{,}032980\,\text{u}$
$2m_\text{H} + 2m_\text{n}$
$4{,}002603\,\text{u}$
$m({}^{4}\text{He})$
$\Delta m$
$0{,}030377\,\text{u}$

Massa ja energia

Massavaje ei ole kadonnutta ainetta. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan massa ja energia ovat ekvivalentit: kappaleen energian muutos $\Delta E$ muuttaa sen massaa määrällä $\tfrac{\Delta E}{c^2}$, missä $c$ on valon nopeus. Kun protonit ja neutronit sitoutuvat ytimeksi, vahva vuorovaikutus vetää ne yhteen ja energiaa vapautuu, esimerkiksi gammafotoneina. Syntyneen ytimen energia ja siksi myös massa on pienempi kuin erillisten nukleonien. Sama energia tarvitaan, jos ydin hajotetaan takaisin erillisiksi nukleoneiksi. Tämä energia on ytimen sidosenergia $E_\text{B}$.

$\text{erilliset protonit ja neutronit}$
$\text{ydin}\ {}^{4}_{2}\text{He}$
$E_\text{B} = \Delta m\,c^2$
$\text{tarvitaan}\ E_\text{B}$
$\text{vapautuu}\ E_\text{B}$

Miksi massan muutosta ei huomaa arjessa

Massan ja energian ekvivalenssi koskee kaikkia energian muutoksia, mutta $c^2$ on niin suuri, että tavallisissa ilmiöissä massan muutos on mittaamattoman pieni. Grammaa massaa vastaa energia

$$\begin{aligned} E &= 1{,}00 \cdot 10^{-3}\,\text{kg} \\ &\quad \cdot (2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2 \\ &\approx 9{,}0 \cdot 10^{13}\,\text{J}. \end{aligned}$$

Kun hiili palaa, massa pienenee vain noin kymmenesmiljardisosan. Ytimissä sidosenergia on niin suuri, että massavaje on noin $0{,}8\,\%$ atomin massasta niin helium-4:llä kuin uraani-238:llakin. Siksi ydinfysiikassa energia lasketaan suoraan massojen erotuksesta.

Sidosenergia

Massavaje ja sidosenergia

Ytimessä ${}^{A}_{Z}\text{X}$ on $Z$ protonia ja $N = A - Z$ neutronia. Massavaje lasketaan atomimassoista:

$$\Delta m = Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi}$$

missä $m_\text{H}$ on vetyatomin ${}^{1}\text{H}$ massa, $m_\text{n}$ neutronin massa ja $m_\text{atomi}$ atomin ${}^{A}_{Z}\text{X}$ massa. Ytimen sidosenergia on massavajetta vastaava energia

$$E_\text{B} = \Delta m\,c^2$$

missä $E_\text{B}$ on sidosenergia ja $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$ valon nopeus. Elektronien omaa sidosenergiaa atomissa ei oteta huomioon, koska se on enintään satoja kiloelektronivoltteja ja raskaimmillakin atomeilla alle tuhannesosa ytimen sidosenergiasta.

Atomimassayksikkö energiana

Ytimien energiat ilmoitetaan megaelektronivoltteina: $1\,\text{MeV} = 10^{6}\,\text{eV}$ ja $1\,\text{eV} = 1{,}602177 \cdot 10^{-19}\,\text{J}$. Lasketaan, paljonko energiaa vastaa massa $1\,\text{u}$. Koska massavaje on pieni erotus, vakioissa käytetään tässä kuutta merkitsevää numeroa:

$$\begin{aligned} E &= 1\,\text{u} \cdot c^2 \\ &= 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg} \\ &\quad \cdot (2{,}99792 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2 \\ &= 1{,}49241 \cdot 10^{-10}\,\text{J} \\ &= \frac{1{,}49241 \cdot 10^{-10}}{1{,}602177 \cdot 10^{-19}}\,\text{eV} \\ &= 9{,}3149 \cdot 10^{8}\,\text{eV} \\ &\approx 931{,}5\,\text{MeV} \end{aligned}$$

Siis $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Kun massavaje on atomimassayksikköinä, tämä sijoitetaan yksikön paikalle, ja $c^2$ supistuu: esimerkiksi $0{,}001000\,\text{u} \cdot c^2 = 0{,}001000 \cdot 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2} \cdot c^2 = 0{,}9315\,\text{MeV}$. Neljän numeron vakioilla $1{,}661 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$, $2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$ ja $1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{J}$ tulos olisi $931{,}9\,\text{MeV}$, joten neljän numeron vakiot muuttavat jo neljättä numeroa.

Sidosenergia nukleonia kohti

Ytimien sidoksen lujuutta vertaillaan sidosenergialla nukleonia kohti

$$\frac{E_\text{B}}{A}$$

missä $A$ on massaluku eli nukleonien määrä. Kuvaajassa se on laskettu atomimassoista $32$ ytimelle. Kevyillä ytimillä arvo kasvaa jyrkästi, koska jokaisella nukleonilla on yhä enemmän naapureita, joihin vahva vuorovaikutus sitoo sen. Helium-4 on poikkeuksellisen tiiviisti sidottu. Arvo on suurin, noin $8{,}8\,\text{MeV}$, rauta-56:n ja nikkeli-62:n kohdalla. Raskaammilla ytimillä se pienenee loivasti, koska vahva vuorovaikutus vaikuttaa vain lähinaapureiden välillä, mutta protonien sähköinen hylkiminen ulottuu koko ytimen yli.

$50$
$100$
$150$
$200$
$250$
$2$
$4$
$6$
$8$
$10$
$0$
$A$
$E_\text{B}/A\ (\text{MeV})$
$\text{fuusio}$
$\text{fissio}$
${}^{4}\text{He}$
${}^{56}\text{Fe}$
${}^{238}\text{U}$
${}^{2}\text{H}$

Kuvaajasta näkyy, milloin ydinreaktio vapauttaa energiaa: kun syntyvät ytimet ovat tiiviimmin sidottuja kuin alkuperäiset, sidosenergia kasvaa ja ero vapautuu. Kevyiden ytimien yhtyminen eli fuusio ja raskaan ytimen halkeaminen eli fissio siirtävät nukleoneja kohti kuvaajan huippua. Niitä tarkastellaan luvussa Fissio, fuusio ja ydinvoima.

Reaktioenergia

Ydinreaktiossa ytimet muuttuvat: ydin hajoaa, tai ytimeen osuu toinen ydin tai hiukkanen. Reaktiossa massaluku ja varausluku säilyvät (luku Atomiydin ja radioaktiivinen hajoaminen), mutta massa ei. Reaktioenergia on

$$Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$$

missä $m_\text{alku}$ on lähtöaineiden ja $m_\text{loppu}$ syntyvien hiukkasten massojen summa. Kun $Q > 0$, energiaa vapautuu syntyvien hiukkasten liike-energiaksi ja gammasäteilyksi; kun $Q < 0$, reaktio tarvitsee energiaa. Atomimassoja voi käyttää, kun elektronien määrä on molemmin puolin sama, kuten alfahajoamisessa, beeta miinus -hajoamisessa ja useimmissa ydinreaktioissa. Beeta miinus -hajoamisessa syntyvän elektronin massaa ei lisätä erikseen, koska tytäratomin atomimassaan sisältyy jo yksi elektroni enemmän. Esimerkiksi uraani-238:n alfahajoamisessa ${}^{238}_{92}\text{U} \to {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$ massa pienenee $0{,}004583\,\text{u}$, joten $Q = 0{,}004583 \cdot 931{,}5\,\text{MeV} \approx 4{,}27\,\text{MeV}$.

$238{,}045$
$238{,}050$
$238{,}055$
$m\ (\text{u})$
$238{,}050787\,\text{u}$
${}^{238}\text{U}$
$238{,}046204\,\text{u}$
${}^{234}\text{Th} + {}^{4}\text{He}$
$0{,}004583\,\text{u}$
$Q = 4{,}27\,\text{MeV}$

Yleinen virhekäsitys

Moni ajattelee, että sidosenergia on ytimeen varastoitunutta energiaa, joka vapautuu, kun ydin hajotetaan osiin. Asia on päinvastoin. Sidosenergia vapautui, kun ydin muodostui, ja sama energia tarvitaan, jotta ydin saadaan hajotettua erillisiksi nukleoneiksi. Siksi ydin on kevyempi kuin sen osat. Suuri sidosenergia nukleonia kohti tarkoittaa tiiviisti sidottua, pysyvää ydintä, ei energiavarastoa. Ydinreaktiossa energiaa vapautuu, kun syntyvien ytimien sidosenergia on yhteensä suurempi kuin alkuperäisten.

Toinen virhe on ajatella, että massa säilyy ydinreaktiossa kuten kemiassa. Ydinreaktiossa säilyvät massaluku eli nukleonien määrä ja varausluku, mutta massa muuttuu vapautuvan energian verran, $\Delta m = \tfrac{Q}{c^2}$.

Tiivistelmä

  • Atomimassat ilmoitetaan atomimassayksikköinä: $1\,\text{u}$ on $\tfrac{1}{12}$ hiili-12-atomin massasta, eli $1\,\text{u} = 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$.
  • Ydin on kevyempi kuin sen erilliset nukleonit. Massavaje on $\Delta m = Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi}$.
  • Sidosenergia $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$ tarvitaan ytimen hajottamiseen nukleoneiksi, ja se vapautuu ytimen muodostuessa. Sijoitus $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$ antaa energian megaelektronivoltteina.
  • Sidosenergia nukleonia kohti on suurin, noin $8{,}8\,\text{MeV}$, raudan ja nikkelin kohdalla; fuusio ja fissio vapauttavat energiaa, koska ne siirtävät nukleoneja tiiviimmin sidottuihin ytimiin.
  • Reaktioenergia on $Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$: massa ei säily ydinreaktiossa, vaikka massaluku ja varausluku säilyvät.
Valinnainen Palaa ennusteisiisi

Vertaa ennusteitasi kokeiden mallin arvoihin. Palaa sitten alun kysymykseen: mihin helium-4-atomista puuttuva massa $0{,}030377\,\text{u}$ on mennyt, ja miksi helium-4 on kevyempi kuin sen osat?

    Muuttaisitko ennustettasi?

    Sovella

    Esimerkki

    Tehtävä

    Laske helium-4-ytimen ${}^{4}_{2}\text{He}$ sidosenergia ja sidosenergia nukleonia kohti. Käytä atomimassoja $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$, $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$ ja $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$ (AME2020) sekä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$.

    Vaihe 1/7

    Tunnetut ja kysytty. Järjestysluku $Z = 2$, massaluku $A = 4$, joten neutroneja on $N = A - Z = 2$. Atomimassat $m_\text{atomi} = 4{,}002603\,\text{u}$, $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$ ja $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$. Kysytään sidosenergiaa $E_\text{B}$ ja sidosenergiaa nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ megaelektronivoltteina.

    Vaihe 2/7

    Periaate. Ydin on kevyempi kuin sen erilliset nukleonit, ja massavajetta $\Delta m$ vastaa sidosenergia $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$. Lasketaan atomimassoilla: kahdessa vetyatomissa on kaksi elektronia kuten helium-4-atomissakin, joten elektronien massat kumoutuvat.

    Vaihe 3/7

    Kaava ratkaistuna. Massavaje, sidosenergia ja sen osuus yhtä nukleonia kohti:

    $$\begin{aligned} \Delta m &= Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi} \\ E_\text{B} &= \Delta m\,c^2 \\ \frac{E_\text{B}}{A} &= \frac{\Delta m\,c^2}{A} \end{aligned}$$

    Vaihe 4/7

    Yksikkömuunnokset. Massaa ei muunneta kilogrammoiksi: massavajeen yksikön paikalle sijoitetaan $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu ja energia saadaan suoraan megaelektronivoltteina.

    Vaihe 5/7

    Sijoitus. Ensin massavaje, sitten energia:

    $$\begin{aligned} \Delta m &= Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi} \\ &= 2 \cdot 1{,}007825\,\text{u} \\ &\quad + 2 \cdot 1{,}008665\,\text{u} \\ &\quad - 4{,}002603\,\text{u} \\ &= 0{,}030377\,\text{u} \\[6pt] E_\text{B} &= \Delta m\,c^2 = 0{,}030377\,\text{u} \cdot c^2 \\ &= 0{,}030377 \cdot 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2} \cdot c^2 \\ &= 28{,}296\,\text{MeV} \\[6pt] \frac{E_\text{B}}{A} &= \frac{28{,}296\,\text{MeV}}{4} \\ &= 7{,}074\,\text{MeV} \end{aligned}$$

    Vaihe 6/7

    Tulos. Helium-4-ytimen sidosenergia on $28{,}30\,\text{MeV}$ ja sidosenergia nukleonia kohti $7{,}074\,\text{MeV}$, neljä merkitsevää numeroa kuten muuntoluvussa $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$.

    Vaihe 7/7

    Järkevyys. Pyöristetyillä luvuilla $\Delta m \approx 0{,}03\,\text{u}$ ja $0{,}03 \cdot 900\,\text{MeV} = 27\,\text{MeV}$, lähellä tulosta. Massavaje on noin $0{,}8\,\%$ atomin massasta, kuten ytimillä yleensä, ja arvo $7{,}07\,\text{MeV}$ nukleonia kohti on kuvaajan helium-4:n piste, selvästi naapureitaan suurempi.

    Valinnainen Etsi virhe
    Opiskelija laskee hiili-12-ytimen sidosenergian.Hän saa massavajeeksi oikein $\Delta m = 0{,}098940\,\text{u}$ ja kirjoittaa

    $$\begin{aligned} &E_\text{B} = \Delta m\,c^2 \\ &= 0{,}098940 \cdot 931{,}5\,\text{MeV} \\ &\quad \cdot (2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2 \\ &\approx 8{,}3 \cdot 10^{18}\,\text{MeV} \end{aligned}$$

    Missä on virhe?

    Siirrä: alfahajoamisen energia

    Savuilmaisimien vanhemmissa malleissa ja avaruusluotainten lämmönlähteissä on käytetty alfasäteilijöitä. Polonium-210 ${}^{210}_{84}\text{Po}$ hajoaa alfahajoamisella lyijy-206:ksi. Atomimassat ovat $m({}^{210}\text{Po}) = 209{,}982874\,\text{u}$, $m({}^{206}\text{Pb}) = 205{,}974465\,\text{u}$ ja $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$ (AME2020). Kuinka suuri energia yhdessä hajoamisessa vapautuu? Vastaa megaelektronivoltteina.

    MeV
    Vihje 1: ohjaava kysymys

    Kirjoita hajoamisyhtälö. Mitkä hiukkaset ovat alussa ja mitkä lopussa?

    Vihje 2: mikä yhteys

    Reaktioenergia on $Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$, ja lopussa ovat sekä lyijy-206 että alfahiukkanen eli helium-4.

    Vihje 3: välivaihe

    Massojen erotus on $0{,}005806\,\text{u}$. Sijoita $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$.

    Näytä ratkaisu

    Annettu

    $m({}^{210}\text{Po}) = 209{,}982874\,\text{u}$, $m({}^{206}\text{Pb}) = 205{,}974465\,\text{u}$, $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$ (AME2020), $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$

    Kysytty

    hajoamisessa vapautuva energia eli reaktioenergia $Q$ megaelektronivoltteina

    Periaate

    Alfahajoamisessa ${}^{210}_{84}\text{Po} \to {}^{206}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$ massaluku ja varausluku säilyvät, mutta syntyvien atomien massa on pienempi kuin poloniumatomin. Massan vähenemistä vastaava energia vapautuu, lähinnä alfahiukkasen liike-energiaksi. Atomimassat käyvät, koska elektroneja on molemmin puolin $84$: lyijyatomissa $82$ ja heliumatomissa $2$.

    Kaava

    $Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$, missä $m_\text{alku} = m({}^{210}\text{Po})$ ja $m_\text{loppu} = m({}^{206}\text{Pb}) + m({}^{4}\text{He})$

    Muunnokset

    Massaa ei muunneta kilogrammoiksi: yksikön $\text{u}$ paikalle sijoitetaan $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu.

    Sijoitus

    $m_\text{alku} - m_\text{loppu}$
    $= 209{,}982874\,\text{u} - 205{,}974465\,\text{u} - 4{,}002603\,\text{u}$
    $= 0{,}005806\,\text{u}$

    joten

    $Q$$= 0{,}005806\,\text{u} \cdot c^2$
    $= 0{,}005806 \cdot 931{,}5\,\text{MeV}$
    $= 5{,}4083\,\text{MeV}$

    Vastaus

    $5{,}408\,\text{MeV}$

    Neljä merkitsevää numeroa kuten massojen erotuksessa $0{,}005806\,\text{u}$.

    Järkevyys

    $Q > 0$, kuten itsestään tapahtuvassa hajoamisessa pitää. Liikemäärän säilymisen vuoksi kevyt alfahiukkanen saa energiasta noin osuuden $\tfrac{206}{210}$ eli noin $5{,}30\,\text{MeV}$; mitattu alfahiukkasten energia $5{,}30\,\text{MeV}$ täsmää. Tulos on samaa suuruusluokkaa kuin uraani-238:n alfahajoamisen $4{,}27\,\text{MeV}$.

    Tarkista osaamisesi

    Exit ticket

    Vastaa ensin itse ja avaa vastaus vasta sitten.

    1. Vismutti-209-ytimen sidosenergia on $1640\,\text{MeV}$ ja kalsium-40-ytimen $342\,\text{MeV}$. Kumpi ydin on tiiviimmin sidottu?
      Vastaus

      Kalsium-40. Sidoksen lujuutta kuvaa sidosenergia nukleonia kohti: vismutilla $1640\,\text{MeV} : 209 \approx 7{,}85\,\text{MeV}$ ja kalsiumilla $342\,\text{MeV} : 40 \approx 8{,}55\,\text{MeV}$. Vismutin koko sidosenergia on suurempi vain siksi, että nukleoneja on enemmän.

    2. Miksi massavajeen laskussa käytetään vetyatomin massaa eikä protonin massaa, kun ytimen massana on atomin massa?
      Vastaus

      Atomin massaan sisältyvät sen $Z$ elektronia. Kun erillisinä hiukkasina käytetään $Z$ vetyatomia, niissäkin on $Z$ elektronia, joten elektronien massat kumoutuvat erotuksesta ja jäljelle jää ytimen massavaje.

    1. Käsite

    Deuteriumytimen ${}^{2}_{1}\text{H}$ sidosenergia on $2{,}224\,\text{MeV}$. Mitä tämä tarkoittaa?

    Ehdotus: yksi vastaus ei vielä kerro koko osaamistasi, mutta kertaa asia teoriatiivistelmästä ja tee ydintehtävät.

    2. Lue sidosenergiakäyrää

    Kuvaajassa on ytimien sidosenergia nukleonia kohti massaluvun funktiona. Missä seuraavista muutoksista energiaa vapautuu, kun nukleonien määrä säilyy?
    $50$
    $100$
    $150$
    $200$
    $250$
    $2$
    $4$
    $6$
    $8$
    $10$
    $0$
    $A$
    $E_\text{B}/A\ (\text{MeV})$

    Ehdotus: yksi vastaus ei vielä kerro koko osaamistasi, mutta kertaa asia teoriatiivistelmästä ja tee ydintehtävät.

    Valinnainen 3. Selitä ja vertaa

    Kun hiili palaa, $\text{C} + \text{O}_2 \to \text{CO}_2$, jokaista $44{,}0\,\text{g}$:aa lähtöaineita kohti vapautuu $393{,}5\,\text{kJ}$ energiaa. Muuttuuko massa palamisessa? Miksi kemiassa sanotaan, että massa säilyy, kun taas ydinreaktioissa energia lasketaan massan muutoksesta?

    Tehtävät

    Taso 1 · perusharjoitus 5 tehtävää

    Yksi kaava tai yksi päättelyaskel. Ydintehtävät ensin, loput lisäharjoitusta.

    1. Tehtävä 10-1Ydintehtävä

      Hiili-12-atomin massa on tasan $12{,}000000\,\text{u}$. Vetyatomin massa on $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$ ja neutronin $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$. Kuinka suuri on hiili-12-ytimen ${}^{12}_{6}\text{C}$ massavaje? Anna vastaus atomimassayksikköinä.

      u
      Vastaus

      $0{,}098940\,\text{u}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      hiili-12-atomin massa $m_\text{atomi} = 12{,}000000\,\text{u}$, $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$, $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$; ytimessä ${}^{12}_{6}\text{C}$ on $Z = 6$ protonia ja $N = 12 - 6 = 6$ neutronia

      Kysytty

      massavaje $\Delta m$ atomimassayksikköinä

      Periaate

      Ydin on kevyempi kuin sen erilliset nukleonit. Kun käytetään vetyatomien massoja, niissä on kuusi elektronia kuten hiiliatomissakin, joten elektronien massat kumoutuvat ja erotus on ytimen massavaje.

      Kaava

      $\Delta m = Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: kaikki massat ovat atomimassayksikköinä.

      Sijoitus

      $\Delta m$$= 6 \cdot 1{,}007825\,\text{u} + 6 \cdot 1{,}008665\,\text{u} - 12{,}000000\,\text{u}$
      $= 6{,}046950\,\text{u} + 6{,}051990\,\text{u} - 12{,}000000\,\text{u}$
      $= 0{,}098940\,\text{u}$

      Vastaus

      $0{,}098940\,\text{u}$

      Kuusi desimaalia kuten annetuissa massoissa.

      Järkevyys

      Erillisten nukleonien massa on noin $12{,}10\,\text{u}$, joten massavaje on noin $0{,}8\,\%$ siitä, kuten ytimillä yleensä. Tulos on positiivinen, koska sitoutunut ydin on kevyempi kuin osansa.

    2. Tehtävä 10-2Ydintehtävä

      Happi-16-ytimen massavaje on $0{,}137005\,\text{u}$. Kuinka suuri on ytimen sidosenergia? Käytä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $127{,}6\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      happi-16-ytimen massavaje $\Delta m = 0{,}137005\,\text{u}$, $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$

      Kysytty

      sidosenergia $E_\text{B}$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Massan ja energian ekvivalenssin mukaan massavajetta vastaa energia $\Delta m\,c^2$. Juuri tämä energia tarvitaan, jotta ydin hajotetaan erillisiksi nukleoneiksi.

      Kaava

      $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$

      Muunnokset

      Massaa ei muunneta kilogrammoiksi: yksikön $\text{u}$ paikalle sijoitetaan $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu.

      Sijoitus

      $E_\text{B}$$= 0{,}137005\,\text{u} \cdot c^2$
      $= 0{,}137005 \cdot 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2} \cdot c^2$
      $= 127{,}620\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $127{,}6\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten muuntoluvussa $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$.

      Järkevyys

      Arviolla $0{,}14 \cdot 900\,\text{MeV} \approx 126\,\text{MeV}$. Nukleonia kohti tämä on $127{,}6\,\text{MeV} : 16 \approx 8{,}0\,\text{MeV}$, mikä sopii sidosenergian kuvaajaan happi-16:n kohdalla.

    3. Tehtävä 10-3

      Uraani-238-ytimen ${}^{238}_{92}\text{U}$ sidosenergia on $1801{,}7\,\text{MeV}$. Kuinka suuri on sen sidosenergia nukleonia kohti? Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $7{,}570\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      uraani-238-ytimen sidosenergia $E_\text{B} = 1801{,}7\,\text{MeV}$, massaluku $A = 238$

      Kysytty

      sidosenergia nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Sidosenergia nukleonia kohti kertoo, kuinka paljon energiaa keskimäärin tarvitaan yhden nukleonin irrottamiseen. Se saadaan jakamalla koko sidosenergia nukleonien määrällä eli massaluvulla.

      Kaava

      $E_\text{B}$$= A \cdot \dfrac{E_\text{B}}{A}$

      joten kysytty suure on $\dfrac{E_\text{B}}{A}$ eli sidosenergia jaettuna massaluvulla

      Muunnokset

      Ei tarvita: energia on valmiiksi megaelektronivoltteina, ja massaluku on paljas luku.

      Sijoitus

      $\dfrac{E_\text{B}}{A}$$= \dfrac{1801{,}7\,\text{MeV}}{238}$
      $= 7{,}5702\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $7{,}570\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten muuntoluvussa $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolla sidosenergia $1801{,}7\,\text{MeV}$ on laskettu.

      Järkevyys

      Sidosenergian kuvaajassa raskaimpien ytimien arvo on noin $7{,}6\,\text{MeV}$, vähemmän kuin raudan noin $8{,}8\,\text{MeV}$. Arvio $1800 : 240 = 7{,}5$ täsmää.

    4. Tehtävä 10-4

      Kuinka suurta energiaa vastaa massa $1{,}00\,\text{g}$? Valon nopeus on $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$. Anna vastaus yksikössä $10^{13}\,\text{J}$.

      10¹³ J
      Vastaus

      $8{,}99 \cdot 10^{13}\,\text{J}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      massa $m = 1{,}00\,\text{g}$, valon nopeus $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$

      Kysytty

      massaa vastaava energia $E$ yksikössä $10^{13}\,\text{J}$

      Periaate

      Massa ja energia ovat ekvivalentit: massaa $m$ vastaa energia $mc^2$. Lasketaan SI-yksiköissä, jotta energia saadaan jouleina.

      Kaava

      $E = mc^2$

      Muunnokset

      $1{,}00\,\text{g} = 1{,}00 \cdot 10^{-3}\,\text{kg}$, ja $1\,\text{kg} \cdot \tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2} = 1\,\text{J}$.

      Sijoitus

      $E$$= 1{,}00 \cdot 10^{-3}\,\text{kg} \cdot (2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2$
      $= 1{,}00 \cdot 10^{-3}\,\text{kg} \cdot 8{,}988 \cdot 10^{16}\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2}$
      $= 8{,}988 \cdot 10^{13}\,\text{J}$

      Vastaus

      $8{,}99 \cdot 10^{13}\,\text{J}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten massassa $1{,}00\,\text{g}$.

      Järkevyys

      Arviolla $10^{-3} \cdot (3 \cdot 10^{8})^2 = 9 \cdot 10^{13}$. Energia on valtava: koska

      $1\,\text{GWh}$$= 10^{9}\,\text{W} \cdot 3600\,\text{s}$
      $= 3{,}6 \cdot 10^{12}\,\text{J}$

      se on noin $25\,\text{GWh}$, eli ydinvoimalaitosyksikkö, jonka sähköteho on $1600\,\text{MW}$, tuottaa sen sähkönä noin $16\,\text{h}$:ssa.

    5. Tehtävä 10-5

      Deuteriumytimen ${}^{2}_{1}\text{H}$ sidosenergia on $2{,}224\,\text{MeV}$. Kuinka suuri on sen massavaje? Käytä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Anna vastaus yksikössä $10^{-3}\,\text{u}$.

      10⁻³ u
      Vastaus

      $2{,}388 \cdot 10^{-3}\,\text{u}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      deuteriumytimen sidosenergia $E_\text{B} = 2{,}224\,\text{MeV}$, $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$

      Kysytty

      massavaje $\Delta m$ yksikössä $10^{-3}\,\text{u}$

      Periaate

      Sidosenergia on massavajetta vastaava energia. Kun energia tunnetaan, massavaje saadaan jakamalla se luvulla $c^2$.

      Kaava

      $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$, josta $\Delta m = \dfrac{E_\text{B}}{c^2}$

      Muunnokset

      $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$ eli $1\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2} = \tfrac{1}{931{,}5}\,\text{u}$; lopuksi $1\,\text{u} = 1000 \cdot 10^{-3}\,\text{u}$.

      Sijoitus

      $\Delta m$$= \dfrac{2{,}224\,\text{MeV}}{c^2}$
      $= 2{,}224 \cdot \tfrac{1}{931{,}5}\,\text{u}$
      $= 0{,}0023876\,\text{u}$
      $= 2{,}3876 \cdot 10^{-3}\,\text{u}$

      Vastaus

      $2{,}388 \cdot 10^{-3}\,\text{u}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten sidosenergiassa ja muuntoluvussa.

      Järkevyys

      Deuteriumissa on vain kaksi nukleonia, joten massavaje on pieni: noin $0{,}12\,\%$ atomin massasta $2{,}014\,\text{u}$, paljon vähemmän kuin raskaammilla ytimillä. Tarkistus: $0{,}002388 \cdot 931{,}5\,\text{MeV} = 2{,}224\,\text{MeV}$.

    Taso 2 · soveltava harjoitus 4 tehtävää

    Kaksi vaihetta, mittausaineiston käsittely, yksikkömuunnos tai kaavan ratkaiseminen. Ydintehtävät ensin, loput lisäharjoitusta.

    1. Tehtävä 10-6Ydintehtävä

      Rauta-56-atomin ${}^{56}_{26}\text{Fe}$ massa on $55{,}934936\,\text{u}$. Vetyatomin massa on $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$ ja neutronin $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$. Kuinka suuri on rauta-56-ytimen sidosenergia nukleonia kohti? Käytä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $8{,}790\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      rauta-56-atomin massa $m_\text{atomi} = 55{,}934936\,\text{u}$, $Z = 26$, $A = 56$, joten $N = 30$; $m_\text{H} = 1{,}007825\,\text{u}$, $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$, $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$

      Kysytty

      sidosenergia nukleonia kohti $\tfrac{E_\text{B}}{A}$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Ytimen massavajetta vastaa sidosenergia $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$. Vetyatomien massoja käytetään, jotta $26$ elektronin massat kumoutuvat rautaatomin elektronien kanssa. Jaetaan lopuksi nukleonien määrällä.

      Kaava

      $\Delta m = Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi}$ ja $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$, joten

      $\dfrac{E_\text{B}}{A}$$= \dfrac{(Z\,m_\text{H} + N\,m_\text{n} - m_\text{atomi})\,c^2}{A}$

      Muunnokset

      Yksikön $\text{u}$ paikalle sijoitetaan $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu.

      Sijoitus

      $\Delta m$$= 26 \cdot 1{,}007825\,\text{u} + 30 \cdot 1{,}008665\,\text{u} - 55{,}934936\,\text{u}$
      $= 26{,}203450\,\text{u} + 30{,}259950\,\text{u} - 55{,}934936\,\text{u}$
      $= 0{,}528464\,\text{u}$

      joten

      $\dfrac{E_\text{B}}{A}$$= \dfrac{0{,}528464 \cdot 931{,}5\,\text{MeV}}{56}$
      $= \dfrac{492{,}264\,\text{MeV}}{56}$
      $= 8{,}7904\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $8{,}790\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten muuntoluvussa $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$.

      Järkevyys

      Rauta-56 on sidosenergian kuvaajan huipulla, noin $8{,}8\,\text{MeV}$, mikä täsmää. Arvio: $\Delta m \approx 0{,}53\,\text{u}$ ja $0{,}53 \cdot 930 : 56 \approx 8{,}8$.

    2. Tehtävä 10-7Ydintehtävä

      Radium-226 hajoaa alfahajoamisella: ${}^{226}_{88}\text{Ra} \to {}^{222}_{86}\text{Rn} + {}^{4}_{2}\text{He}$. Atomimassat ovat $m({}^{226}\text{Ra}) = 226{,}025410\,\text{u}$, $m({}^{222}\text{Rn}) = 222{,}017578\,\text{u}$ ja $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$. Kuinka suuri energia hajoamisessa vapautuu? Käytä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $4{,}871\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      $m({}^{226}\text{Ra}) = 226{,}025410\,\text{u}$, $m({}^{222}\text{Rn}) = 222{,}017578\,\text{u}$, $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$, $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$

      Kysytty

      hajoamisessa vapautuva energia eli reaktioenergia $Q$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Reaktiossa massaluku ja varausluku säilyvät, mutta massa pienenee, ja massan vähenemistä vastaava energia vapautuu hiukkasten liike-energiaksi. Atomimassoja voi käyttää, koska alfahajoamisessa elektroneja on molemmin puolin $88$: radonatomissa $86$ ja heliumatomissa $2$.

      Kaava

      $Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$, missä $m_\text{alku} = m({}^{226}\text{Ra})$ ja $m_\text{loppu} = m({}^{222}\text{Rn}) + m({}^{4}\text{He})$

      Muunnokset

      Yksikön $\text{u}$ paikalle sijoitetaan $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu.

      Sijoitus

      $m_\text{alku} - m_\text{loppu}$
      $= 226{,}025410\,\text{u} - 222{,}017578\,\text{u} - 4{,}002603\,\text{u}$
      $= 0{,}005229\,\text{u}$

      joten

      $Q$$= 0{,}005229 \cdot 931{,}5\,\text{MeV}$
      $= 4{,}8708\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $4{,}871\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten massojen erotuksessa $0{,}005229\,\text{u}$.

      Järkevyys

      $Q$ on positiivinen, kuten itsestään tapahtuvassa hajoamisessa pitää. Alfahiukkasten energiat ovat tyypillisesti $4$–$9\,\text{MeV}$, ja tulos on samaa suuruusluokkaa kuin uraani-238:n alfahajoamisen $4{,}27\,\text{MeV}$.

    3. Tehtävä 10-8

      Happi-16-ytimen massavaje on $0{,}137005\,\text{u}$. Laske ytimen sidosenergia jouleina muuntamalla massavaje ensin kilogrammoiksi. Käytä $1\,\text{u} = 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$ ja $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$. Anna vastaus yksikössä $10^{-11}\,\text{J}$.

      10⁻¹¹ J
      Vastaus

      $2{,}045 \cdot 10^{-11}\,\text{J}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      massavaje $\Delta m = 0{,}137005\,\text{u}$, $1\,\text{u} = 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$, $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$

      Kysytty

      sidosenergia $E_\text{B}$ yksikössä $10^{-11}\,\text{J}$

      Periaate

      Sidosenergia on massavajetta vastaava energia. SI-yksiköissä massa on kilogrammoina ja nopeus metreinä sekunnissa, jolloin energia saadaan jouleina.

      Kaava

      $E_\text{B} = \Delta m\,c^2$

      Muunnokset

      $\Delta m$$= 0{,}137005\,\text{u}$
      $= 0{,}137005 \cdot 1{,}66054 \cdot 10^{-27}\,\text{kg}$
      $= 2{,}27502 \cdot 10^{-28}\,\text{kg}$

      Sijoitus

      $E_\text{B}$$= 2{,}27502 \cdot 10^{-28}\,\text{kg} \cdot (2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2$
      $= 2{,}27502 \cdot 10^{-28}\,\text{kg} \cdot 8{,}98800 \cdot 10^{16}\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2}$
      $= 2{,}04479 \cdot 10^{-11}\,\text{J}$

      Vastaus

      $2{,}045 \cdot 10^{-11}\,\text{J}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten valon nopeudessa $2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$.

      Järkevyys

      Muunnetaan elektronivolteiksi sijoittamalla $1\,\text{J} = \tfrac{1}{1{,}602 \cdot 10^{-19}}\,\text{eV}$:

      $2{,}045 \cdot 10^{-11} : 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{eV}$
      $\approx 1{,}277 \cdot 10^{8}\,\text{eV}$
      $= 127{,}7\,\text{MeV}$

      lähes sama kuin muuntoluvulla $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$ laskettu $127{,}6\,\text{MeV}$; ero johtuu vakioiden pyöristyksestä.

    4. Tehtävä 10-9

      Aurinko säteilee avaruuteen tehon $3{,}83 \cdot 10^{26}\,\text{W}$. Säteilyn energia syntyy Auringon ytimen ydinreaktioissa, joten Auringon massa pienenee.

      Kuinka paljon Auringon massa pienenee vuorokaudessa säteilyn vuoksi? Valon nopeus on $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$. Anna vastaus yksikössä $10^{14}\,\text{kg}$.

      10¹⁴ kg
      Vastaus

      $3{,}68 \cdot 10^{14}\,\text{kg}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      Auringon säteilyteho $P = 3{,}83 \cdot 10^{26}\,\text{W}$, aika $t = 1\,\text{vrk}$, $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$

      Kysytty

      Auringon massan väheneminen $\Delta m$ vuorokaudessa yksikössä $10^{14}\,\text{kg}$

      Periaate

      Säteily vie Auringosta energiaa $E = Pt$. Massan ja energian ekvivalenssin mukaan energian väheneminen pienentää massaa määrällä $\tfrac{E}{c^2}$. Oletetaan teho vakioksi ja jätetään aurinkotuulen vievä aine huomiotta.

      Kaava

      $E = Pt$ ja $E = \Delta m\,c^2$, joten $\Delta m = \dfrac{Pt}{c^2}$

      Muunnokset

      $t$$= 1\,\text{vrk}$
      $= 24 \cdot 3600\,\text{s}$
      $= 86\,400\,\text{s}$

      ja $1\,\text{W} = 1\,\tfrac{\text{J}}{\text{s}}$.

      Sijoitus

      $\Delta m$$= \dfrac{3{,}83 \cdot 10^{26}\,\tfrac{\text{J}}{\text{s}} \cdot 86\,400\,\text{s}}{(2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2}$
      $= \dfrac{3{,}3091 \cdot 10^{31}\,\text{J}}{8{,}988 \cdot 10^{16}\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2}}$
      $= 3{,}6817 \cdot 10^{14}\,\text{kg}$

      Vastaus

      $3{,}68 \cdot 10^{14}\,\text{kg}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten säteilytehossa $3{,}83 \cdot 10^{26}\,\text{W}$.

      Järkevyys

      Sekunnissa Aurinko menettää noin $4{,}3 \cdot 10^{9}\,\text{kg}$, ja $86\,400$ sekunnissa noin

      $4 \cdot 10^{9}\,\text{kg} \cdot 9 \cdot 10^{4}$
      $\approx 4 \cdot 10^{14}\,\text{kg}$

      Auringon massaan, noin $2 \cdot 10^{30}\,\text{kg}$, verrattuna määrä on mitätön.

    Taso 3 · haastava 3 tehtävää

    Valinnaisia: soveltamista, kaksi ideaa yhdessä tai uusi tilanne, jossa päättelet itse.

    1. Tehtävä 10-10

      Helium-4-ytimestä halutaan irrottaa yksi neutroni, jolloin jäljelle jää helium-3-ydin: ${}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{3}_{2}\text{He} + \text{n}$. Atomimassat ovat $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$ ja $m({}^{3}\text{He}) = 3{,}016029\,\text{u}$, ja neutronin massa on $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$.

      Kuinka paljon energiaa neutronin irrottaminen vaatii? Käytä $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$. Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $20{,}58\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      $m({}^{4}\text{He}) = 4{,}002603\,\text{u}$, $m({}^{3}\text{He}) = 3{,}016029\,\text{u}$, $m_\text{n} = 1{,}008665\,\text{u}$, $1\,\text{u} = 931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, vertailuarvo $\tfrac{E_\text{B}}{A} = 7{,}07\,\text{MeV}$

      Kysytty

      neutronin irrottamiseen tarvittava energia $E$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Lopputilan hiukkaset, helium-3 ja vapaa neutroni, ovat yhteensä raskaampia kuin helium-4. Reaktio ei siis vapauta energiaa, vaan sitä täytyy tuoda massojen erotusta vastaava määrä, eli reaktioenergia on negatiivinen. Atomimassoja voi käyttää, koska molemmissa heliumatomeissa on kaksi elektronia.

      Kaava

      $Q = (m_\text{alku} - m_\text{loppu})\,c^2$ ja tarvittava energia $E = -Q$, joten $E = (m_\text{loppu} - m_\text{alku})\,c^2$, missä $m_\text{loppu} = m({}^{3}\text{He}) + m_\text{n}$ ja $m_\text{alku} = m({}^{4}\text{He})$

      Muunnokset

      Yksikön $\text{u}$ paikalle sijoitetaan $931{,}5\,\tfrac{\text{MeV}}{c^2}$, jolloin $c^2$ supistuu.

      Sijoitus

      $m_\text{loppu} - m_\text{alku}$
      $= 3{,}016029\,\text{u} + 1{,}008665\,\text{u} - 4{,}002603\,\text{u}$
      $= 0{,}022091\,\text{u}$

      joten

      $E$$= 0{,}022091 \cdot 931{,}5\,\text{MeV}$
      $= 20{,}578\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $20{,}58\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten muuntoluvussa. Tämä on lähes kolme kertaa niin paljon kuin helium-4:n sidosenergia nukleonia kohti, $7{,}07\,\text{MeV}$.

      Järkevyys

      Energian on oltava positiivinen, koska tiiviisti sidottua ydintä hajotetaan. Se on suurempi kuin keskiarvo $7{,}07\,\text{MeV}$, koska jäljelle jäävä helium-3 on paljon löyhemmin sidottu: sen sidosenergia on vain noin $7{,}7\,\text{MeV}$ eli $2{,}6\,\text{MeV}$ nukleonia kohti, joten neutronin irrotus vie suurimman osan helium-4:n sidosenergiasta $28{,}3\,\text{MeV}$. Siksi helium-4 on poikkeuksellisen pysyvä.

    2. Tehtävä 10-11

      Kaksi deuteriumydintä yhtyy helium-4-ytimeksi: ${}^{2}_{1}\text{H} + {}^{2}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He}$. Deuteriumin sidosenergia nukleonia kohti on $1{,}112\,\text{MeV}$ ja helium-4:n $7{,}074\,\text{MeV}$. Kuinka suuri energia reaktiossa vapautuu? Laske se sidosenergioista ilman atomimassoja. Anna vastaus megaelektronivoltteina.

      MeV
      Vastaus

      $23{,}85\,\text{MeV}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      deuteriumin $\tfrac{E_\text{B}}{A} = 1{,}112\,\text{MeV}$ ($A = 2$), helium-4:n $\tfrac{E_\text{B}}{A} = 7{,}074\,\text{MeV}$ ($A = 4$)

      Kysytty

      reaktioenergia $Q$ megaelektronivoltteina

      Periaate

      Kuvitellaan reaktio kahdessa vaiheessa: deuteriumytimet hajotetaan ensin nukleoneiksi, mihin tarvitaan niiden sidosenergia, ja nukleonit kootaan sitten helium-4-ytimeksi, jolloin vapautuu sen sidosenergia. Nukleonien määrä säilyy, joten vapautuva energia on sidosenergioiden kasvu. Energian säilymisen vuoksi välivaiheilla ei ole väliä.

      Kaava

      $Q = E_\text{B}({}^{4}\text{He}) - 2\,E_\text{B}({}^{2}\text{H})$, missä $E_\text{B} = A \cdot \tfrac{E_\text{B}}{A}$, joten

      $Q$$= 4 \cdot \tfrac{E_\text{B}}{A}({}^{4}\text{He}) - 2 \cdot 2 \cdot \tfrac{E_\text{B}}{A}({}^{2}\text{H})$

      Muunnokset

      Ei tarvita: kaikki energiat ovat megaelektronivoltteina.

      Sijoitus

      $Q$$= 4 \cdot 7{,}074\,\text{MeV} - 2 \cdot 2 \cdot 1{,}112\,\text{MeV}$
      $= 28{,}296\,\text{MeV} - 4{,}448\,\text{MeV}$
      $= 23{,}848\,\text{MeV}$

      Vastaus

      $23{,}85\,\text{MeV}$

      Neljä merkitsevää numeroa kuten annetuissa sidosenergioissa $1{,}112\,\text{MeV}$ ja $7{,}074\,\text{MeV}$.

      Järkevyys

      Atomimassoista sama tulos:

      $(2 \cdot 2{,}014102\,\text{u} - 4{,}002603\,\text{u})\,c^2$
      $= 0{,}025601 \cdot 931{,}5\,\text{MeV}$
      $\approx 23{,}85\,\text{MeV}$

      Energiaa vapautuu, koska helium-4 on kuvaajassa paljon ylempänä kuin deuterium: tämä on fuusion energian lähde.

    3. Tehtävä 10-12

      Kattilassa on $1{,}00\,\text{kg}$ vettä, joka jäähtyy lämpötilasta $80{,}0\,{}^\circ\text{C}$ lämpötilaan $20{,}0\,{}^\circ\text{C}$. Veden ominaislämpökapasiteetti on $4{,}19\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$ ja valon nopeus $2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$. Kuinka paljon veden massa pienenee jäähtyessä? Anna vastaus yksikössä $10^{-12}\,\text{kg}$.

      10⁻¹² kg
      Vastaus

      $2{,}80 \cdot 10^{-12}\,\text{kg}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      veden massa $m = 1{,}00\,\text{kg}$, alkulämpötila $80{,}0\,{}^\circ\text{C}$, loppulämpötila $20{,}0\,{}^\circ\text{C}$, ominaislämpökapasiteetti $c_\text{v} = 4{,}19\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$, valon nopeus $c = 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}$

      Kysytty

      veden massan väheneminen $\Delta m$ yksikössä $10^{-12}\,\text{kg}$

      Periaate

      Jäähtyessään vesi luovuttaa lämpöä $Q = c_\text{v} m \Delta T$, ja sen sisäenergia pienenee saman verran, koska olomuoto ei muutu. Massan ja energian ekvivalenssi koskee kaikkia energian muutoksia, joten massa pienenee määrällä $\tfrac{Q}{c^2}$.

      Kaava

      $Q = c_\text{v} m \Delta T$ ja $Q = \Delta m\,c^2$, joten

      $\Delta m$$= \dfrac{c_\text{v} m \Delta T}{c^2}$

      Muunnokset

      $c_\text{v}$$= 4{,}19\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$
      $= 4190\,\tfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$

      lämpötilan muutos on sama celsiusasteina ja kelvineinä:

      $\Delta T$$= 80{,}0\,{}^\circ\text{C} - 20{,}0\,{}^\circ\text{C}$
      $= 60{,}0\,\text{K}$

      Sijoitus

      $\Delta m$$= \dfrac{4190\,\tfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}} \cdot 1{,}00\,\text{kg} \cdot 60{,}0\,\text{K}}{(2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s})^2}$
      $= \dfrac{2{,}514 \cdot 10^{5}\,\text{J}}{8{,}988 \cdot 10^{16}\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2}}$
      $= 2{,}797 \cdot 10^{-12}\,\text{kg}$

      Vastaus

      $2{,}80 \cdot 10^{-12}\,\text{kg}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten massassa, ominaislämpökapasiteetissa ja lämpötilan muutoksessa.

      Järkevyys

      Massan muutos on noin kolme biljoonasosaa veden massasta, paljon alle minkään vaa'an tarkkuuden. Siksi massan ja energian ekvivalenssi näkyy käytännössä vain ydinreaktioissa, joissa massavaje on lähes prosentti.