核種的熱穩定(二)Thermodynamic Stability of the Nucleus(Ⅱ)

化學原理啟迪514

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1.     為了說明如何獲得能量的數值，我們將持續討論¹⁶₈O。首先，我們將計算每莫耳¹⁶₈O的能量變化：

ΔE=Δmc²

在這裡 C=3.00×10⁸m/s

並且Δm=–0.1366g/mol=–1.366×10^–4 kg/mol

2.     代入上述的方程式Energy change=ΔE=Δmc²

ΔE=(－1.366×10^－4kg/mol)(3.00×10⁸m/s)² =－1.23×10¹³J∕mol

3.     下一步，我們將計算每個原子核的能量變化ΔE，將每莫耳的能量，除以亞佛加厥常數Avogadros' number：

ΔE per ¹⁶₈O nucleus=（－1.23×10¹³J/mol）÷（6.022×10²³nuclei/mol）=－2.04×10^－11 J/nucleus

4.     比較好用的能量單元是MeV(百萬電子伏特數million electron-volts)

1MeV=1.60×10^－13J

5.     因此我們得到

每個原子核的能量變化 ΔE per ¹⁶₈O nucleus

=(－2.04×10^－11J/nucleus)(1MeV/1.60×10^－13J)

=－1.28×10² MeV/nucleus

6.     下一步，每個原子核的能量變化，再除以A(質量數/原子量)，即能計算出每個核子的能量變化。A(質量數/原子量)是中子和質子的總合：

¹⁶ ₈O每個核子的能量變化

=（－1.28×10²MeV/nucleus）（16 nucleons/nucleus）

=－8.00MeV/nucleon

7.     當我們用中子和質子組成¹⁶₈O，每個核子會釋出8.00MeV的能量，將原子核分解成核子所需的能量，與核子組成原子核所釋出的能量相同，但正負號相反，合成¹⁶₈O時，每個核子的能量變化，稱為鍵結能binding energy。

8.     徐弘毅注：為什麼自然存在的¹⁶₈O的原子核質量，與核子合成原子核的質量不同？

獨立的核子是活潑動態的。當獨立的核子要組成原子核，必須從活潑運動的狀態，變為比較安靜的狀態，因此必須先釋出能量，降低動能。這樣製作出來的氧原子核，比已經自然存在的穩定氧原子核，質量更輕！

獨立的核子，為了組成原子核，在過程釋出了能量，雖然達到鍵結的目的，但是能量不太平衡，必須再從周遭吸收補充一些能量，強化核子間的引力。

核子從周遭吸取的是什麼樣的能量呢？應該是負電子之類的能量，雖然目前的理論認為，原子核是純正電的世界，但是它應該有吸引一些負電能量，才能使質子互相吸引。

補充能量後的原子核，還要再吸引負電子包覆它，原子系統才能達到正負平衡，這可能也會稍微增加原子核的質量，但是與整體質量相比，微不足道。

因此，自然存在的氧原子核，比組成氧原子核的所有單獨核子的總質量，質量少一些。

9.     特別留意，最穩定的原子核位於曲線的頂端。最穩定的原子核分解成單獨核子所需的能量最大，最穩定的原子核是⁵⁶₂₆Fe，每個核子的鍵結能是8.79MeV。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》