Wohin geht Massendefizitenergie?

In diesem Stadium habe ich das Gefühl, zwei Dinge gehört zu haben: Diese Energie fließt in das Zusammenhalten des Kerns ODER diese Energie wird freigesetzt (im Fusionsprozess ... denke ich?).

Es ist beides, wenn Sie eine schlampige und irreführende Interpretation von "Energie ... die den Kern zusammenhält" zugeben.

Der Fusionsprozess setzt Energie frei, die sich als kinetische Energie der Reaktionsprodukte niederschlägt. Daher ist die Ruhemasse der Produkte kleiner als die der Reaktanten, da die Ruhemasse einfach die Gesamtenergie ist, die aus dem Ruhe-relativ-zur-Masse-Rahmen gemessen wird. Um Fusionsenergie zu gewinnen, muss man einen Weg finden, die kinetische Energie der Reaktionsprodukte in die gewünschte Form umzuwandeln.

Um den Heliumkern durch die Umkehrreaktion aufzubrechen, müssen wir umgekehrt Energie in das System zurückführen, um dies zu erreichen. Wenn sich Kerne aus kleineren Teilen in exothermen Kernreaktionen bilden, überwältigt die starke Kernkraft schließlich die anfänglich abstoßende elektromagnetische Kraft, so dass es zu einer Nettofreisetzung von Energie kommt, ähnlich wie beim Entspannen einer gedehnten Feder, wodurch ihr Potenzial in kinetische Energie umgewandelt wird . Um den Prozess umzukehren, dhB. den Kern wieder auseinander spalten oder die Feder dehnen, muss Energie in das System zurückgeführt werden, und die Umkehrung kann erst dann erfolgen. In diesem Sinne hält die "Energie den Kern zusammen": Eine Energie-"Schuld" muss "zurückgezahlt" werden, bevor der umgekehrte Spaltungs- / Saitendehnungsprozess stattfindet. Die Vorstellung, dass ein Kern ständig Arbeit verrichtet, um sich selbst zusammenzuhalten, ist falsch und tendiert leider dazu, die Aussage „Energie fließt in das Zusammenhalten des Kerns“ zu lesen. Dies war in den 1970er und 1980er Jahren eine gängige Laienerklärung in populären / wissenschaftlichen Kinderbüchern, die leider immer noch Leben zu haben scheint.

Wie in David Elms Antwort setzen nur relativ leichte Kerne durch Fusion Energie frei. Die stabilsten Kerne überhaupt, also die mit der geringsten Ruhemasse pro Nukleon und damit den am stärksten gebundenen Kernen, sind Eisen 56 und Nickel 62 . Exotherme Reaktionen für Kerne, die schwerer oder leichter als diese sind, neigen dazu, Spaltungs- bzw. Fusionsreaktionen zu sein.

Jedes Mal, wenn die potentielle Energie eines Systems reduziert wird, wird die Masse dieses Systems um reduziert$m=\frac{E}{c^2}$.

Die Massenänderung ist normalerweise sehr klein, so dass sie wirklich nur bemerkbar wird, wenn diese potentielle Energieänderung sehr groß ist, wie es bei Umlagerungen von Nukleonen (Protonen und Neutronen) der Fall ist.

Manchmal verringert das Zusammenfügen von Nukleonen die Energie des Systems (Fusion), aber manchmal verringert die Trennung von Nukleonen die Energie (Spaltung).

Die überschüssige Energie geht in die kinetische Energie der Produkte ein. Um das einfache Beispiel der DT-Fusion ($^2H + \,\!^3H \;\rightarrow \;^4He + n$) haben die beiden Wasserstoffkerne insgesamt mehr Masse als der Heliumkern und das Neutron. Der Heliumkern und das Neutron bewegen sich jedoch schneller als die Wasserstoffkerne, so dass die zusätzliche kinetische Energie die verlorene Masse genau ausgleicht.

Dieses Beispiel ist künstlich, aber illustrativ.

Man kann den Energieerhaltungssatz immer als gegeben annehmen:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

Wenn diese Reaktion auf diese Weise passiert ist (es tut es nicht, aber egal)$E_x>0$die Energie$E_x$muss sich irgendwie auflösen. Sobald es weg ist, können Sie das nicht mehr bremsen$^4$Er, es sei denn, Sie bringen$E_x$zurück. Aus dieser Sicht können Sie diese fehlende Energie benennen$E_x$die „bindende Energie“ .

One step forward – man kann sich den Entstehungsprozess so vorstellen:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He^*}c^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

sehen$^4$Er$^*$- das steht für Helium, also (hypothetisch) in einem so angeregten Zustand, dass es ebenfalls einen Stall bilden kann$^4$Er oder dissoziiert wieder - nur zufällig - UND seine Masse ist nicht geringer als die von 2p+2n. Sehen Sie, der angeregte Zustand hat eine andere Masse als der Grundzustand.

Die Energie$E_x$entkommt normalerweise mit einem Teilchen oder Gamma (wäre in diesem hypothetischen Fall mit Energie$E_\gamma=E_x$) und die Art und Weise, wie es entfernt wird, muss auch einem Impulserhaltungssatz gehorchen.