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束縛能與半經驗質量公式

把束縛能曲線量化。先從質量表算出一個真實原子核的束縛能,再把液滴模型一項一項堆成一條能預測核質量與穩定谷的公式。

把質量虧損講清楚

一個具 Z 個質子、N 個中子的原子核,其束縛能 B 等於它失去的質量乘上 c^2。實務上質量表列的是原子質量(原子核加它的電子),因此我們用氫原子質量 m_\mathrm{H} 取代裸質子,兩邊的 Z 個電子質量相互抵消(達到我們所需的精度)。

B(Z,N) = \left[\,Z\,m_{\mathrm H} + N\,m_{n} - M_{\mathrm{atom}}(Z,N)\,\right]c^2

由質量表求束縛能。B 為正表示原子核是被束縛的。

示範例——氦-4。取 m_\mathrm{H} = 1.007825\,\mathrm{u}m_n = 1.008665\,\mathrm{u}M(^4\mathrm{He}) = 4.002602\,\mathrm{u}:原料共 2(1.007825)+2(1.008665) = 4.032980\,\mathrm{u},故質量虧損為 0.030378\,\mathrm{u}。乘上 931.494\ \mathrm{MeV/u},得束縛能約 28.3 MeV,即每核子 7.07 MeV——已攀上曲線的大半,這正是 α 粒子格外穩定的原因。

仔細判讀曲線

每核子束縛能對質量數,標出鐵峰與早期在 He-4、C-12、O-16 的尖峰。

曲線並非完全平滑。在氦-4、碳-12、氧-16 處立著尖銳的尖峰——這些核恰是整數個緊束縛的 α 粒子。氘(^2\mathrm{H})則遠低於一切,束縛能僅 2.22 MeV(每核子 1.1 MeV)——勉強維繫。這些起伏是第一個暗示:平滑的液滴圖像並非全貌;量子殼層結構(第三篇)潛藏其下。

液滴模型

由於核力飽和、核物質密度恆定,一個原子核在整體上出奇地像一小滴不可壓縮的帶電液體。液滴模型便沿用這個類比:把總束縛能建模為若干看似古典的能量項之和,再用數百個核的實測質量去擬合它們的係數。

半經驗質量公式的五項

結果就是 Bethe–Weizsäcker 的半經驗質量公式。每一項都是你能親手推想出的物理效應:

B(Z,A) = a_V A \;-\; a_S A^{2/3} \;-\; a_C\frac{Z(Z-1)}{A^{1/3}} \;-\; a_A\frac{(A-2Z)^2}{A} \;\pm\; \delta

體積、表面、庫侖、對稱與成對五項,捕捉了核質量的主體。

體積項 a_V A:每個核子與固定數目的鄰居成鍵(飽和),故束縛能隨核子數成長——主導項。表面項 -a_S A^{2/3}:表皮上的核子鄰居較少,此修正正比於表面積,這也是小核付出較大代價的原因。庫侖項 -a_C Z(Z-1)/A^{1/3}:每一對質子互斥、削弱束縛,此項隨 Z 快速增大。對稱項 -a_A (A-2Z)^2/A:一種量子效應(庖立原理),偏好 NZ 相等。成對項 \pm\delta:核子喜歡成對,故偶—偶核格外束縛、奇—奇核格外鬆散。

這條公式能換來什麼

固定質量數 A、讓 Z 變化——這些是同量異位素。公式使核質量成為 Z 的向下拋物線(庫侖項把 Z 往下壓,對稱項把它往 N=Z 推)。那條拋物線的極小值,就是該 A 下最穩定的電荷數,並解釋了為何偏離谷底的核會朝走向谷底的方向 β 衰變——即第四篇的物理。

同一條公式能估算核分裂與核融合釋放的能量(第五篇)、定出束縛完全失效的中子與質子滴線,並預測每核子束縛能的整體趨勢。它的盲點恰是殼層尖峰:它天生平滑,看不見幻數。這正是引出殼層模型的契機。