Come calcolare il difetto di massa

L'energia richiesta per rompere un nucleo e i suoi componenti viene chiamata legame nucleare. Prima di iniziare questa guida vi consigliamo di approfondire la teoria di base della chimica generale, senza entrare troppo nello specifico, ma quanto basta per mantenere le nozioni di base bene a mente.
Le energie di legame sono generalmente espresse in termini di kJ / mole (kilojoule su mole) di nuclei o di MeV / nucleone. Il calcolo del legame prevede le seguenti tre fasi: la determinazione della massa di difetto (attraverso un percorso che esploreremo), la conversione di difetto in energia e la determinazione della massa di difetto totale. La differenza tra la massa di un nucleo e la somma delle masse dei nucleoni è chiamata difetto di massa e indica appunto l'ineguaglianza tra parte e totale. Tre cose devono essere note per calcolare il difetto di massa: la massa effettiva del nucleo, la composizione del nucleo (numero di protoni e di neutroni nella massa nucleare) e le masse di un protone e di un neutrone. Per calcolare il difetto di massa è necessario sommare le masse di ciascun protone e di ogni neutrone che compongono il nucleo e sottrarre la massa effettiva del nucleo dalla massa combinata dei componenti per ottenere il difetto di massa. Quando protoni e neutroni si aggregano e formano il nucleo, c'è una quantità di massa che si trasforma in energia, che viene dispersa o utilizzata. Ecco come calcolare il difetto di massa.

Le tecniche di spettrometria di massa permettono di calcolare in maniera esatta la massa di un nucleo. Tramite questo tipo di misurazione, scientificamente ed empiricamente preciso, è stato dimostrato che la massa di un nucleo non corrisponde mai esattamente alla somma delle masse dei suoi elementi, ma è sempre inferiore, proprio a causa di un'energia che si perde. Se consideriamo la somma dei valori dei nucleoni (protoni e neutroni), essa sarà sempre maggiore rispetto all'effettivo valore della massa del nucleo, misurato empiricamente. Questo scarto di valori è il "difetto di massa".

Se consideriamo il nucleo del deuterio, la massa del protone ha valore di 1,00728 u e quella del neutrone 1,00867 u. La loro somma è perciò 2,01595 u. Il nucleo ha invece una massa inferiore alla somma delle sue parti e, nel caso del deuterio, ha valore di 2,01300 u. C'è quindi una differenza in questi valori ed è Δm (delta m), il "difetto di massa". Per calcolarlo occorre sempre conoscere con precisione il valore degli elementi componenti e sottrarre il valore effettivo del nucleo a quello della somma dei componenti. Questo processo può essere applicato sia empiricamente con esperimenti appositi, sia teoricamente con un semplice procedimento di calcolo. Armatevi, dunque, di pazienza, calcolatrice e senso critico. Attraverso la conoscenza della teoria, infatti, potrete pervenire ad un risultato accettabile, ma solo attraverso i calcoli più specifici potrete trovare la precisione assoluta.

La legge di conservazione della massa-energia enunciata da Albert Einstein ci dice che E= m * c^2, dove c, come abbiamo visto, è la velocità della luce nel vuoto ed è quindi costante. Proprio perché essa è costante, sarà costante anche il rapporto tra Energia e massa, perciò se un sistema perde una quantità di massa subirà anche la perdita di una quantità di energia. La quantità di energia che si libera si calcola in MegaelettronVolt, MeV.
Come detto, quindi, la nostra esperienza ci porta ad usare l'energia come moneta di scambio nelle reazioni chimiche.

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