Försvinner det verkligen massa i en kärnreaktion?

Försvinner det verkligen massa i en kärnreaktion? Partiklarna som lämnar kärnan tar väl vägen någonstans? Vad är det som alstrar värmen?

Frågan ställdes 2022-12-16 av Bo, 72 år.

Partiklarna som ingår i en kärnreaktion är huvudsakligen protoner och neutroner, som bildar olika atomkärnor när de binds till varandra (när 2 protoner och 1-2 neutroner binds ihop får man t.ex. två olika varianter av helium, och när 92 protoner och när ca 140-150 neutroner binds till varandra så får man olika varianter av uran).

En väldigt intressant sak med atomkärnor är att deras massa inte är riktigt lika med summan av massorna för de protoner och neutroner som finns i kärnan! En atomkärnas massa är alltid aningen lägre än om man skulle summera massorna för de individuella neutroner och protoner som bygger upp kärnan. Det är svårt att helt och hållet förstå varför det blir så, men det visar sig att när protonerna och neutronerna binds till varandra i en kärna (via den så kallade starka kärnkraften) så minskar faktiskt massan på detta sätt. Dessutom så är mellanskillnaden mellan atomkärnans massa och protonernas och neutronernas massor olika stora för olika atomkärnor. Om man har en kärnreaktion där två kärnor reagerar och bildar två eller flera nya kärnor (genom att protonerna och neutronerna binds ihop på nya sätt) så kan man alltså ibland få en situation när atomkärnorna efter reaktionen har en lägre total massa än vad atomkärnorna hade innan reaktionen, trots att totala antalet protoner och neutroner inte nödvändigtvis har ändrats. Vart har då den ”saknade” massan tagit vägen? Jo, den har omvandlats till energi enligt Einsteins berömda formel E = mc² (där E är den frigjorda energin, m är skillnaden i massa och c² är ljusets hastighet i kvadrat).

Sen kan det hända massa andra spännande saker i kärnreaktioner också. En neutron kan till exempel omvandlas till en proton och en elektron genom så kallat betasönderfall, så antalet protoner och neutroner behöver inte vara oförändrat i en kärnreaktion. Men den frigjorda energin kan ändå alltid beräknas utifrån masskillnaden mellan atomkärnorna före och efter reaktionen.

Så alltså: partiklarna försvinner inte, men de kan omvandlas och bindas till varandra på olika sätt, vilket gör att massan före och efter en kärnreaktion inte alltid är densamma. Mellanskillnaden omvandlas till energi via E=mc².

Frågan besvarades av Jacob Eriksson, universitetslektor vid avdelningen tillämpad kärnfysik, institutionen för fysik och astronomi.