Massendefekt

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).

Der Massendefekt stellt scheinbar eine Verletzung des klassischen Massenerhaltungssatzes dar, lässt sich aber durch die von Albert Einstein erkannte Äquivalenz von Masse und Energie E = mc² erklären. Der Massendefekt ist demnach identisch mit der Kernbindungsenergie der Nukleonen. Je höher der Massendefekt, also die Kernbindungsenergie ist, desto stabiler ist der Atomkern, da umso mehr Energie zu seiner Zerlegung aufgewendet werden muss.

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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.

Berechnung

Der Massendefekt eines Nuklids ergibt sich aus der Differenz der Masse seiner Protonen (Kernladungszahl Z) und Neutronen (Neutronenanzahl N) und seiner tatsächlichen Kernmasse m_k:

Δm = Zm_p + Nm_n − m_k

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 0,8% der Ausgangsmasse beträgt.

Siehe auch

• Atommasse
• Bindungsenergie
• Massenspektroskop
• Tröpfchenmodell
• Bethe-Weizsäcker-Formel