Hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì điều gì xảy ra?

Độ hụt khối và năng lượng liên kết là những khái niệm then chốt trong vật lý hạt nhân, giúp ta hiểu rõ về sự bền vững của hạt nhân nguyên tử. Mối quan hệ giữa hai đại lượng này vô cùng quan trọng: Hạt Nhân Có độ Hụt Khối Càng Lớn Thì năng lượng liên kết của nó càng cao, và do đó, hạt nhân càng bền vững.

Độ hụt khối (Δm) là hiệu giữa tổng khối lượng của các nucleon (proton và neutron) cấu thành hạt nhân và khối lượng thực tế của hạt nhân đó. Sự khác biệt này chuyển hóa thành năng lượng liên kết (E_lk) theo phương trình nổi tiếng của Einstein: E_lk = Δmc², với c là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Như vậy, có thể thấy rõ ràng, khi độ hụt khối (Δm) tăng lên, năng lượng liên kết (E_lk) cũng tăng theo. Năng lượng liên kết chính là năng lượng cần thiết để phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ. Do đó, hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì cần một lượng năng lượng lớn hơn để phá vỡ, đồng nghĩa với việc hạt nhân đó bền vững hơn.

Để hiểu rõ hơn, ta xét một ví dụ đơn giản. So sánh hạt nhân helium (⁴He) và hạt nhân deuterium (²H). Hạt nhân helium có độ hụt khối lớn hơn nhiều so với hạt nhân deuterium. Điều này dẫn đến việc năng lượng liên kết của helium lớn hơn đáng kể so với deuterium, khiến cho hạt nhân helium bền vững hơn rất nhiều.

Năng lượng liên kết riêng (năng lượng liên kết tính trên một nucleon) cũng là một đại lượng quan trọng để đánh giá độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. Các hạt nhân ở vùng giữa của bảng tuần hoàn, đặc biệt là sắt (Fe), có năng lượng liên kết riêng lớn nhất, do đó chúng là những hạt nhân bền vững nhất.

Trong các phản ứng hạt nhân, sự chuyển đổi giữa các hạt nhân có độ hụt khối khác nhau thường giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng. Các phản ứng phân hạch (chia hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn) và nhiệt hạch (kết hợp các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn) đều dựa trên nguyên tắc này, nhằm tạo ra các hạt nhân có độ hụt khối lớn hơn và do đó, giải phóng năng lượng. Ví dụ, phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lòng Mặt Trời tạo ra năng lượng khổng lồ, duy trì sự sống trên Trái Đất.