Hur mycket mer massa finns i atomkärnorna jämfört med utanför?

Enligt formeln E=mc² finns massa i den starka kärnkraftens kraftfält i atomkärnan, kan ni uppskatta hur många gånger mer massa/energi som finns i atomkärnorna jämfört med utanför atomkärnorna i ett material, t.ex. människokroppen, är det tusental eller miljoner som skiljer?

Frågan ställdes 2023-04-25 av Per.

Enligt speciella relativitetsteorin är E=mc², där E är energin i ett objekt, m är dess vilomassa, och c är ljushastigheten. Vi kan tolka denna som att massa och energi inte är två olika saker, utan att massa utgör en energiform. Ljushastigheten i kvadrat är i så fall en konverteringsfaktor mellan de två. Ungefär som vi konverterar en sträcka i meter till mil, eller en kostnad från kronor till euro, genom att multiplicera med en växelkurs. Växelkursen mellan massa i kg och energi i Joule är dock rätt hög, c² ≈ 100000000000000000. Så lite massa innehåller så att säga mycket energi.

Den mesta av vilomassan (i vilken kropp som helst, till exempel en människokropp) finns i atomkärnorna, eftersom de står för majoriteten av vår massa. Protoner eller neutroner i kärnan väger ca 1000 gånger mer än elektronerna utanför, så nästan all vår massa och energi bor i kärnan.

Men E=mc² gäller dock inte bara kärnor, och är inte exklusiv för kärnkraftens fält. Alla former av energiuttag från en kropp kommer minska dess massa en aning. Om en kopp med kaffe kallnar, så kommer dess massa att minska lite. Men det är mindre än nanogram i skillnad (eftersom konverteringsfaktorn är så stor som nämnt ovan).

Även kemiska reaktioner som frigör energi kommer minska massan en aning. Att atomkärnan förknippas med E=mc² är alltså trots allt lite skevt. Min gissning är att denna bild (att E= mc² är speciellt kopplat till kärnenergi) härrör till den så kallade Smyth-rapporten som släpptes av amerikanska myndigheter efter kärnvapnen blev kända, 1945. I den rapporten står formeln med i introduktionen, förmodligen menat som förklaring till hur så mycket energi kan utvinnas ur en liten bomb. Men formeln är trots det inte unik för kärnenergi.

I kärnreaktioner kan i och för sig en relativt stor energimängd frigöras, så att vilomassan minskar ”rejält”. Om exempelvis en uranatom fissionerar så frigörs cirka en promille av dess massa i form av energi som man kan tillgodogöra sig. En promille låter inte mycket men är betydligt mer än vi ser i andra reaktioner som är kemiska.

Frågan besvarades av Peter Andersson, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik, institutionen för fysik och astronomi.