Масса ядра равна MЯ всегда меньше суммы масс частиц, входящих в состав ядра.
Это обусловлено тем, что при объединены нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия связи Eзв равна той работе, которую нужно выполнить, чтобы разделить нуклоны, которые образуют ядро.
Таким образом энергия ядра меньше энергии системы не взаимодействующих нуклонов на величину энергии связи. Уменьшение энергии ?Е должно сопровождаться эквивалентным уменьшением массы ?m = ?E / c ?. Так энергия связи нуклонов в ядре. Езв = с ? {[Z mp + (A - Z) mn] - MЯ}
Для гелия 4He Е н = 28,4 MеВ (1 эВ = 1,6 ? 10-19 Дж). Энергия связи на один нуклон Eзв / A = 7,1 MeВ, а энергия связи валентных электронов ~ 10 Eв, т.е. в 106 раз меньше.
С ростом массового числа А удельная энергия связи (Е н / А) уменьшается (см. рис. 31.1). Для ядра 240U 92 оно составляет 7,5 МэВ / нуклон. Сильнее всех связь нуклонов в ядрах с массовыми числами 50-60, Eзв / A = 8,7 МэВ / нуклон.
Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически выгодным (т.е. с выделением энергии) два процесса: а) разделение тяжелых ядер на несколько более легких, б) объединение (слияние) легких ядер в одно. Оба эти процессы должны сопровождаться выделением большого количества энергии.
Так, например, разделение одного ядра с массовым числом А = 240 (удельная энергия связи 7,5 МэВ) на два ядра с массовыми числами А = 120 (удельная энергия связи 8,5 МэВ) привел бы к высвобождению энергии в 240 МэВ, а в пересчете на один нуклон 1 МэВ.
Слияние двух ядер тяжелого водорода 2H
1 в ядро атома гелия Hе 4
2 привело бы к высвобождению энергии в 24 МэВ, а в пересчете на один нуклон 6 МэВ. То есть слияние легких ядер в 6 раз выгоднее разделение тяжелых ядер.
Для сравнения напомним также, что при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля в СО2) выделяется энергия »5 эВ, то есть при делении тяжелых ядер или слиянии легких ядер выделяется энергии в миллионы раз больше.