Czy kiedykolwiek spojrzałeś na kawałek drewna opałowego i powiedziałeś sobie: „Ojej, zastanawiam się, ile energii potrzeba by go rozdzielić”? Są szanse, że nie, niewiele osób. Ale dla fizyków pytanie, ile energii jest potrzebne do podzielenia czegoś na części składowe, jest w rzeczywistości dość ważnym pytaniem.
W dziedzinie fizyki jest to tak zwana energia wiązania lub ilość energii mechanicznej potrzebnej do rozłożenia atomu na oddzielne części. Ta koncepcja jest stosowana przez naukowców na wielu różnych poziomach, w tym na poziomie atomowym, jądrowym oraz w astrofizyce i chemii.
Siła Jądrowa:
Jak każdy, kto pamięta swoją podstawową chemię lub fizykę, z pewnością wie, atomy składają się z cząstek subatomowych zwanych nukleonami. Składają się one z dodatnio naładowanych cząstek (protonów) i neutralnych cząstek (neutronów), które są rozmieszczone w środku (w jądrze). Są one otoczone elektronami, które krążą wokół jądra i są rozmieszczone na różnych poziomach energii.
Powodem, dla którego cząstki subatomowe, które mają zasadniczo różne ładunki, mogą istnieć tak blisko siebie, jest obecność silnej siły jądrowej - fundamentalnej siły wszechświata, która umożliwia przyciąganie cząstek subatomowych z niewielkiej odległości. Ta siła przeciwdziała sile odpychania (znanej jako Siła Kulombowa), która powoduje, że cząstki odpychają się nawzajem.
Dlatego każda próba podzielenia jądra na tę samą liczbę wolnych niezwiązanych neutronów i protonów - tak aby były one wystarczająco / daleko od siebie, aby silna siła jądrowa nie mogła już powodować interakcji cząstek - będzie wymagać wystarczającej energii do rozbicia te wiązania nuklearne.
Zatem energia wiązania jest nie tylko ilością energii wymaganej do zerwania silnych wiązań sił jądrowych, ale jest również miarą siły wiązań utrzymujących nukleony razem.
Rozszczepienie i synteza jądrowa:
Aby oddzielić nukleony, energia musi zostać dostarczona do jądra, co zwykle osiąga się przez bombardowanie jądra cząstkami o wysokiej energii. W przypadku bombardowania ciężkich protonów jądrowych (takich jak atomy uranu lub plutonu) protonami, jest to znane jako rozszczepienie jądrowe.
Jednak energia wiązania odgrywa również rolę w fuzji jądrowej, w której jądra światła (takie jak atomy wodoru) są ze sobą wiązane w stanach wysokiej energii. Jeśli energia wiązania produktów jest wyższa, gdy łączą się lekkie jądra lub gdy ciężkie jądra ulegną rozszczepieniu, jeden z tych procesów spowoduje uwolnienie „dodatkowej” energii wiązania. Energia ta jest określana jako energia jądrowa lub luźno jako energia jądrowa.
Zauważono, że masa dowolnego jądra jest zawsze mniejsza niż suma mas poszczególnych składowych nukleonów, które go tworzą. „Utrata” masy, która powstaje, gdy nukleony są dzielone w celu utworzenia mniejszego jądra lub scalenia w celu utworzenia większego jądra, jest również przypisywana energii wiązania. Tę brakującą masę można utracić podczas procesu w postaci ciepła lub światła.
Gdy system ochłodzi się do normalnej temperatury i powróci do stanów podstawowych pod względem poziomów energii, w systemie pozostanie mniej masy. W takim przypadku usunięte ciepło reprezentuje dokładnie „deficyt” masy, a samo ciepło zatrzymuje masę, która została utracona (z punktu widzenia początkowego układu). Ta masa pojawia się w każdym innym układzie, który pochłania ciepło i zyskuje energię cieplną.
Rodzaje energii wiązania:
Ściśle mówiąc, istnieje kilka różnych rodzajów energii wiązania, które są oparte na konkretnym kierunku badań. Jeśli chodzi o fizykę cząstek, energia wiązania odnosi się do energii atomu pochodzącej z interakcji elektromagnetycznej, a także ilości energii wymaganej do rozłożenia atomu na wolne nukleony.
W przypadku usuwania elektronów z atomu, cząsteczki lub jonu wymagana energia jest znana jako „energia wiązania elektronu” (inaczej potencjał jonizacji). Ogólnie energia wiązania pojedynczego protonu lub neutronu w jądrze jest w przybliżeniu milion razy większa niż energia wiązania pojedynczego elektronu w atomie.
W astrofizyce naukowcy używają terminu „grawitacyjna energia wiązania” w odniesieniu do ilości energii potrzebnej do rozerwania (do nieskończoności) obiektu utrzymywanego razem przez samą grawitację - tj. Dowolnego obiektu gwiezdnego, takiego jak gwiazda, planeta lub kometa. Odnosi się to również do ilości energii, która jest uwalniana (zwykle w postaci ciepła) podczas akrecji takiego obiektu z materiału spadającego z nieskończoności.
Wreszcie istnieje energia zwana „wiązaniem”, która jest miarą siły wiązania w wiązaniach chemicznych, a także ilością energii (ciepła) potrzebnej do rozbicia związku chemicznego na jego atomy składowe. Zasadniczo energia wiązania jest tym, co wiąże nasz Wszechświat razem. A kiedy różne części są rozbite, jest to ilość energii potrzebna do jego przeprowadzenia.
Badanie energii wiążącej ma wiele zastosowań, z których nie mniej ważne to energia jądrowa, elektryczność i produkcja chemiczna. A w nadchodzących latach i dekadach będzie ono nieodłącznie związane z rozwojem syntezy jądrowej!
Napisaliśmy wiele artykułów o wiązaniu energii do czasopisma Space Magazine. Oto, co to jest model atomowy Bohra ?, co to jest model atomowy Johna Daltona ?, co to jest model atomowy śliwkowego puddingu ?, co to jest masa atomowa? I synteza jądrowa w gwiazdach.
Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat energii wiązania, zapoznaj się z artykułem Hyperphysics na temat energii wiązania jądrowego.
Nagraliśmy też cały odcinek Astronomy Cast o ważnych liczbach we wszechświecie. Posłuchaj tutaj, odcinek 45: Ważne liczby we wszechświecie.
Źródła:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperphysics - Nuclear Binding Energy
- Europejskie Towarzystwo Jądrowe - Wiążąca energia
- Encyclopaedia Britannica - Binding Energy
