${}^{12}\text{C}$: 核子数 $A = 12$、グラフより核子1個あたりの結合エネルギーは 7.7 MeV。
全結合エネルギー = 核子1個あたりの結合エネルギー $\times$ 核子数 $A$。
$\Delta m c^2 = 92.4$ MeV、電子の静止エネルギー $m_e c^2 = 0.51$ MeV より:
$$\frac{\Delta m}{m_e} = \frac{92.4}{0.51} \fallingdotseq 1.8 \times 10^2 \text{ 倍}$$質量欠損は電子質量の約180倍。核力の結合は電磁気力よりはるかに強い。
反応前の結合エネルギーの合計:$2.7 \times 3 + 1.1 \times 2 = 10.3$ MeV
反応後の結合エネルギー:$7.1 \times 4 = 28.4$ MeV
放出エネルギー:$28.4 - 10.3 = 18.1 \fallingdotseq 18$ MeV
核反応のエネルギー = 反応後の結合エネルギー合計 - 反応前の結合エネルギー合計。
${}^{235}\text{U}$: 核子あたり 7.6 MeV → 生成核($A \fallingdotseq 120$付近): 核子あたり 8.5 MeV
差:$(8.5 - 7.6) \times 235 = 211.5 \fallingdotseq 200$ MeV
核分裂1回あたり約200 MeV。核融合(D-T反応)1回あたり約18 MeV。核子1個あたりでは核融合の方が大きい。
軽い原子核では核融合、重い原子核では核分裂により、核子1個あたりの結合エネルギーがより大きい安定な原子核に変換されるためです。
摩擦がある場合は力学的エネルギーの一部が熱エネルギーに変わりますが、全エネルギー(力学的+熱)は保存されます。
${}^{4}_{2}\text{He}$(質量 $4.0026$ u)の結合エネルギーを求めます。核子の質量は $m_p = 1.0073$ u, $m_n = 1.0087$ u。
$$\Delta m = 2 m_p + 2 m_n - M({}^{4}\text{He}) = 2 \times 1.0073 + 2 \times 1.0087 - 4.0026$$ $$\Delta m = 4.032 - 4.0026 = 0.0294 \text{ u}$$結合エネルギーは
$$B = \Delta m \cdot c^2 = 0.0294 \times 931 \fallingdotseq 27.4 \text{ MeV}$$核子1個あたりは
$$\frac{B}{A} = \frac{27.4}{4} \fallingdotseq 6.85 \text{ MeV/核子}$$${}^{56}$Fe 付近($B/A \fallingdotseq 8.8$ MeV)がピークで、ここに向かう核反応が発熱反応となります。
数値まとめ:${}^{4}$He の結合エネルギー 27.4 MeV = 4.4 J × 10-12、核子1個あたり 6.85 MeV = 1.1 J × 10-12。${}^{56}$Fe のピーク値 8.8 MeV/核子 = 1.4 J × 10-12。1 u = 1.66 kg × 10-27 = 931 MeV です。
結合エネルギー曲線のピーク($A \fallingdotseq 56$)に向かう反応がエネルギー放出反応。