Коротко — потому что на небольших $A$ выигрыш в связующей энергии растёт за счёт «объёмного» вклада, а на больших $A$ выигрыша мешает кулоновское отталкивание протонов и асимметрия нейтрон/протон; их баланс даёт максимум около железа. Это формально описывается полуэмпирической формулой Бете — Вайцзеккера:
$$E_B(A,Z)=a_{v}A-a_s{A}^{2/3}-a_c\frac{Z(Z-1)}{A^{1/3}}-a_a\frac{(A-2Z{)}^2}{A}+\delta (A,Z),$$ где члены — объёмный, поверхностный, кулоновский, асимметрии и поправка спаринга. При малых $A$ доминирует член $a_{v}A$ (рост связующей энергии на нуклон), при больших — уменьшение даёт $a_c$ и $a_a$, поэтому $E_B/A$ достигает максимума примерно у ${}^{56}\mathrm{Fe}$ (приблизительно $\sim 8.7-8.8MeV/nucleon$).
Как это объясняет процессы звёздного горения:
- Слияние лёгких ядер (до примерно железа) ведёт к продуктам с большей удельной энергией связи → выделяется энергия (звёзды получают энергию при термоядерном синтезе: $\mathrm{H}\to \mathrm{He}\to \mathrm{C}\to \dots$ ).
- Синтез ядер тяжелее железа становится эндотермическим (требует ввода энергии), поэтому обычное термоядерное горение останавливается у железа. Когда в ядре звезды накапливается железо, дальнейшее выделение энергии прекращается → коллапс ядра и взрыв (суперновая), где при экстремальных условиях формируются более тяжёлые элементы (r- и s‑процессы).
Последствия для источников энергии:
- Энергетически выгодны термоядерный синтез лёгких элементов (основа звёзд и цель термоядерных реакторов — например, D–T синтез) и деление тяжёлых элементов (ядерные реакторы, оружие): оба переводят систему к более сильно связанным по‑удельной энергии продуктам.
- Невыгодно (энекономично) получать энергию путём слияния ядер тяжелее железа — для производства таких ядер требуется затратить энергию.
- Запас возможной энергии ограничен разницей удельных энергий: типичные выделения на нуклон — несколько МэВ (напр., ${}^4\mathrm{He}$ имеет $\approx 7.07MeV/nucleon$, ${}^{56}\mathrm{Fe}$ — $\approx 8.8MeV/nucleon$), что определяет масштаб энергии, доступной в ядерных реакциях.