Massendefekt
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Als Massendefekt (auch Massenverlust) bezeichnet man in der Kernphysik den Massenunterschied zwischen der tatsächlichen Masse eines Atomkerns und der stets größeren Summe der Massen der in ihm enthaltenen Nukleonen (Protonen und Neutronen). Bei den in dieser Theorie verwendeten Kernmodellen wird zunächst nur der Atomkern isoliert betrachtet, also ohne den Einfluss der Elektronen, die den Atomkern als Orbitalwolke umgeben.
Der Massendefekt verletzt die Massenerhaltung. Er lässt sich mit der Erkenntnis der relativistischen Physik erklären, dass man an der Masse die Energie des ruhenden Teilchens ablesen kann: die Bindungsenergie der Nukleonen vermindert die Summe der Ruheenergien der einzelnen Kernbausteine. Je größer der Massendefekt ist, desto stabiler ist der Atomkern, da umso mehr Energie zu seiner Zerlegung aufgewendet werden muss.
In der experimentellen Praxis wird der Massendefekt für das gesamte neutrale Atom des jeweiligen Isotops angegeben. Dafür gibt es experimentelle Gründe: Praktisch lässt sich ein vollständig ionisierter Atomkern, also ein Atomkern ganz ohne negativ geladene Hüllenelektronen, nur sehr schwer handhaben, da er wegen seiner starken positiven elektrischen Ladung sofort Elektronen aus der Umgebung anzieht. Das gilt besonders für die Kerne schwerer Elemente (Elemente mit großer Ordnungszahl), die eine starke positive Ladung haben.
Beachte: In der Literatur finden sich häufig Rechenbeispiele für vergleichsweise einfache Kerne, in denen nur der Kern isoliert, also ohne Hüllenelektronen, betrachtet wird. In Tabellen wird in der Regel der Massendefekt bezogen auf das ganze neutrale Atom angegeben.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Massendefekt bei verschiedenen Massenzahlen
Die höchsten Massendefekte pro Nukleon finden sich bei Nukliden, deren Atomkern aus 56 Nukleonen besteht. Die Kernisobare der Massenzahl 56 lassen sich also nicht unter Energiegewinn spalten oder fusionieren. Das stabilste aller Nuklide ist das häufigste Eisenisotop Fe-56.
Elemente, deren Nukleonenzahl unterhalb oder oberhalb dieses Massendefekt-Maximums liegt, lassen sich im Prinzip zur Energiegewinnung durch Kernfusion (Kernverschmelzung) bzw. Kernspaltung ausnutzen. Die Energie lässt sich dabei immer „in Richtung zum Maximum“, also mit ansteigender Kurve gewinnen, da die Energiedifferenz zur Energiegewinnung positiv sein muss. Links des Maximums sind Elemente geringerer Massenzahl wie zum Beispiel Wasserstoff vertreten, was Kernfusion möglich macht. Rechts des Maximums, also mit Elementen höherer Massenzahl wie zum Beispiel Uran, ist hingegen die Kernspaltung energiebringend.
[Bearbeiten] Berechnung
Der Massendefekt eines Nuklids ergibt sich aus der Differenz der Masse seiner Protonen und Elektronen(Ordnungszahl = Kernladungszahl Z) und Neutronen (Neutronenanzahl N) und seiner tatsächlichen Kernmasse mk:
[Bearbeiten] Beispiel
Die Masse eines Protons beträgt 1,007276 u, die eines Neutrons 1,008665 u. Der Kern von Helium 4He besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Diese wiegen zusammen 4,03188 u, der 4He-Kern jedoch nur 4,00151 u, d. h., dass der Massendefekt hier etwa 0,76% der Ausgangsmasse beträgt.
Weitere Beispiele: der Kern von 238Uran besteht aus 92 Protonen und 146 Neutronen. Diese wiegen zusammen 239,9344 u, der 238Uran-Kern jedoch nur 238,0508 u, dies entspricht einem Massendefekt von 0,79% der Ausgangsmasse.
