Мы привыкли, что масса тела равна сумме масс частей, из которых оно состоит. В ядерной физике от этой простой мысли приходится отвыкать.

Давайте начнём с примера и возьмём хорошо знакомую нам α-частицу — ядро 24��24​He. В таблице (например, в задачнике Рымкевича) имеется значение массы нейтрального атома гелия: она равна 4,00260 а. е. м. Для нахождения массы M ядра гелия нужно из массы нейтрального атома вычесть массу двух электронов, находящихся в атоме:

�=4,00260−2⋅0,0005486=4,00150а.е.м.M=4,00260−2⋅0,0005486=4,00150а.е.м.

В то же время, суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, из которых состоит ядро гелия, равна:

2��+2��=2⋅1,00728+2⋅1,00867=4,03190а.е.м.2mp​+2mn​=2⋅1,00728+2⋅1,00867=4,03190а.е.м.

Мы видим, что сумма масс нуклонов, составляющих ядро, превышает массу ядра на

Δ�=2��+2��−�=4,03190−4,00150=0,0304а.е.м.Δm=2mp​+2mn​−M=4,03190−4,00150=0,0304а.е.м.

Величина ∆m называется дефектом массы. В силу формулы Эйнштейна дефекту массы отвечает изменение энергии:

Δ�=Δ��2=0,0304⋅931,5≈28МэВ.ΔE=Δmc2=0,0304⋅931,5≈28МэВ.

Величина ∆E обозначается также Eсв и называется энергией связи ядра 24��24​He. Таким образом, энергия связи α-частицы составляет приблизительно 28 МэВ.

Каков же физический смысл энергии связи (и, стало быть, дефекта масс)?

Чтобы расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны, нужно совершить работу против действия ядерных сил. Эта работа не меньше определённой величины Amin; минимальная работа Amin по разрушению ядра совершается в случае, когда высвободившиеся протоны и нейтроны покоятся.

Ну а если над системой совершается работа, то энергия системы возрастает на величину совершённой работы. Поэтому суммарная энергия покоя нуклонов, составляющих ядро и взятых по отдельности, оказывается больше энергии покоя ядра на величину Amin.

Следовательно, и суммарная масса нуклонов, из которых состоит ядро, будет больше массы самого ядра. Вот почему возникает дефект массы.

В нашем примере с α-частицей суммарная энергия покоя двух протонов и двух нейтронов больше энергии покоя ядра гелия на 28 МэВ. Это значит, что для расщепления ядра 24��24​He на составляющие его нуклоны нужно совершить работу, равную как минимум 28 МэВ. Эту величину мы и назвали энергией связи ядра.

Энергия связи ядра — это минимальная работа, которую необходимо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра есть разность энергий покоя нуклонов ядра, взятых по отдельности, и энергии покоя самого ядра. Если ядро массы M состоит из Z протонов и N нейтронов, то для энергии связи Eсв имеем:

�св=(��р+���)�2−��2=(���+���−�)�2Eсв=(Zmр​+Nmn​)c2−Mc2=(Zmp​+Nmn​−M)c2

Величина ∆m =���+���−�Zmp​+Nmn​−M, как мы уже знаем, называется дефектом массы.