אנרגיית קשר גרעינית

אנרגיית קשר גרעינית (אנגלית: Nuclear Binding Energy) היא אנרגיית הקשר המהווה את האנרגיה הנדרשת כדי לפרק את גרעין האטום למרכיביו, פרוטונים ונייטרונים. כל גרעין של כל אטום, פרט למימן-1 (העשוי מפרוטון בלבד, ללא נייטרונים), נושא אנרגיית קשר גרעינית. אנרגיית הקשר הגרעינית נובעת מהכוח הגרעיני, הנישא על ידי מספר סוגים של מזונים, לרבות הפאיון.
אנרגיית קשר גרעינית לנוקליאון (nuclear binding energy per nucleon), הנמדדת ביחידות של מגה אלקטרונוולט לנוקליאון, היא סך כל אנרגיית הקשר הגרעינית של גרעין נתון חלקי מספר הנוקליאונים שהוא מכיל. זו אנרגיית הקשר הגרעינית הממוצעת שכל נוקליאון תורם לגרעין. טווח אנרגיות הקשר הגרעיניות נע בין 1.3697 MeV לנוקליאון בגרעין של מימן-2 ל-8.7945 MeV לנוקליאון בגרעין של ניקל-62. מכיוון שאנרגיית הקשר הגרעינית לנוקליאון שלו היא הגבוהה ביותר, ניקל-62 הוא הגרעין היציב ביותר הקיים בטבע.

פער המסה

אנרגיית הקשר הגרעינית מביאה לקיומו של פער מסה (mass defect) בגרעין. פער המסה של גרעין שווה לאנרגיית הקשר הגרעינית שלו. פער המסה הוא ההפרש בין סך המסות של הנוקליאונים בגרעין (סך כל המסות של הפרוטונים והנייטרונים, כחלקיקים נפרדים) לבין מסת הגרעין, הנמדדת ביחידות של מסה אטומית מאוחדת (u) או של מגה אלקטרונוולט (MeV).
לדוגמה, גרעין של פחמן-12 כולל 6 פרוטונים ו-6 נייטרונים. סך המסה של אלו, כאשר הם נפרדים (אינם קשורים לכדי גרעין), הוא 11,267.0249676 MeV בדיוק. המסה האטומית של פחמן-12 היא 12 u. יחידת מסה אטומית מאוחדת (1 u) שווה 931.4940954 MeV בדיוק. אם כן, 12 u שווים 11,177.9291448 MeV. נתון זה כולל גם את 6 האלקטרונים המקיפים את הגרעין, אשר סך המסה שלהם הוא 3.0659936766 MeV בדיוק. לפיכך, מסת הגרעין של פחמן-12 היא 11,174.8631511234 MeV בלבד – דהיינו, 92.1618164766 MeV פחות מאשר סך המסות של הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים את הגרעין. זה הוא פער המסה, או אנרגיית הקשר הגרעינית, של פחמן-12. זו כמות האנרגיה הדרושה כדי להפריד גרעין כזה למרכיביו. אם תושקע כמות זו של אנרגיה לתוך הגרעין, תוך פירוקו למרכיביו, סך המסות של אותם מרכיבים (נוקליאונים) יחזור להיות הערך הרגיל של המסות שלהם כחלקיקים נפרדים, במקום הערך ה"מופחת" שיש להן בגרעין. הווה אומר, כאשר נוקליאונים קשורים לכדי גרעין, כל אחד מהם "תורם" חלק מהמסה שלו כדי שתהפוך לאנרגיית קשר גרעינית.
עבור פחמן-12, אנרגיית הקשר הגרעינית לנוקליאון היא 7.68015137305 MeV (דהיינו, 92.1618164766 MeV חלקי 12). למעשה, נתון זה הוא הקובע את ההפרש בין המסה הממוצעת המשוקללת של מרכיבי האטום (פרוטון אחד, נייטרון אחד ואלקטרון אחד), שהיא 939.17424677305 MeV, לבין יחידת מסה אטומית מאוחדת אחת (1 u).

אנרגיית קשר גרעינית ואנרגיה גרעינית

אנרגיה גרעינית מופקת, לרוב, בשתי דרכים: ביקוע גרעיני או היתוך גרעיני. קיימות גם צורות אחרות של אנרגיה גרעינית, לרבות האנרגיה המשתחררת בעת דעיכה רדיואקטיבית, אך ביקוע והיתוך הם המנגנונים העיקריים בהם נעשה שימוש, הן בכורים גרעיניים והן בנשק גרעיני. האנרגיה המשתחררת בתהליכים אלו היא למעשה אנרגיית קשר גרעינית.
במקרה של היתוך, אנרגיית הקשר הגרעינית משתחררת כאשר נוקליאונים, הנמצאים בגרעינים הקלים מניקל-62, נקשרים לכדי גרעין חדש, כבד מזה שבו נמצאו הנוקליאונים לפני כן. בעת ההיקשרות, כל נוקליאון "תורם" חלק מהמסה שלו וזו הופכת לאנרגיה, בתהליך אקסותרמי. אנרגיה זו היא המופקת משלב ההיתוך של נשק תרמוגרעיני וכן מכורי היתוך מימניים.
במקרה של ביקוע, מנגנון שחרור אנרגיית הקשר הגרעינית מורכב יותר. ככלל, פירוק של גרעין למרכיביו דורש השקעת אנרגיה, כלומר, לכאורה הוא אמור להיות תהליך אנדותרמי. אולם, עבור גרעינים הכבדים מניקל-62, הנתון המכריע אינו אנרגיית הקשר הגרעינית עצמה, אלא ההפרש בין עודף אנרגיית הקשר הגרעינית של איזוטופ נתון, יחסית לזו של פחמן-12, לבין עודף אנרגיית הקשר הגרעינית של האיזוטופ אליו הוא הופך בתהליך הביקוע. זה הוא ההפרש של עודף המסה (difference in mass excess). כאשר קיים הפרש עודף מסה חיובי בין המגיבים לבין התוצרים, יכול להתרחש ביקוע גרעיני שישחרר כמות חיובית של אנרגיה.