ЩО ТАКЕ ЗВ'ЯЗУЮЧА ЕНЕРГІЯ?

Send

Ви коли-небудь дивилися на шматок дров і казали собі: "Боже, мені цікаво, скільки енергії знадобиться, щоб поділити цю річ на частини"? Швидше за все, ні, ні, мало хто це робить. Але для фізиків питання про те, скільки енергії потрібно для того, щоб щось розділити на складові частини, насправді є досить важливим питанням.

У галузі фізики це відома як енергія зв’язку, або кількість механічної енергії, яка знадобиться для розбирання атома на його окремі частини. Ця концепція використовується вченими на багатьох різних рівнях, що включає атомний рівень, ядерний рівень, а також в астрофізиці та хімії.

Ядерні сили:

Як точно знає кожен, хто пам’ятає їх основну хімію чи фізику, атоми складаються із субатомних частинок, відомих як нуклони. Вони складаються із позитивно заряджених частинок (протонів) та нейтральних частинок (нейтронів), розташованих у центрі (у ядрі). Вони оточені електронами, які орбітують ядро і розташовані в різних енергетичних рівнях.

Причина, чому субатомні частинки, які мають принципово різні заряди, можуть існувати так близько один до одного, - це наявність Сильної ядерної сили - основної сили Всесвіту, яка дозволяє притягувати субатомні частинки на невеликі відстані. Саме ця сила протидіє відштовхуючій силі (відомі як Кулонівська сила), яка змушує частинки відштовхуватися одна від одної.

Отже, будь-яка спроба розділити ядро на однакову кількість вільних незв'язаних нейтронів і протонів - щоб вони були досить далекі / віддалені один від одного, що сильна ядерна сила більше не може змусити частинок взаємодіяти - зажадає достатня кількість енергії для розриву ці ядерні зв’язки.

Таким чином, енергія зв’язку - це не лише кількість енергії, необхідної для розриву міцних зв'язків ядерної сили, це також міра сили зв’язків, що утримують нуклони разом.

Ядерний поділ і синтез:

Для того, щоб відокремити нуклони, в ядро потрібно подати енергію, що, як правило, здійснюється шляхом бомбардування ядра високоенергетичними частинками. У випадку бомбардування важкими атомними ядрами (на зразок атомів урану чи плутонію) протонами це відоме як ядерне поділ.

Однак енергія зв'язування також відіграє роль у ядерному синтезі, де легкі ядра разом (наприклад, атоми водню) з'єднуються разом у станах високої енергії. Якщо енергія зв’язування продуктів більша при злитті легких ядер або при розщепленні важких ядер, будь-який з цих процесів призведе до вивільнення «зайвої» енергії зв’язування. Ця енергія називається ядерною енергією, або слабко як ядерною енергією.

Спостерігається, що маса будь-якого ядра завжди менша за масу окремих складових нуклонів, які складають його. «Втрата» маси, яка виникає при розщепленні нуклонів, утворюючи менші ядра, або зливаючись з більш великим ядром, також приписується енергії зв’язку. Ця відсутня маса може бути втрачена під час процесу у вигляді тепла чи світла.

Як тільки система охолоне до нормальних температур і повернеться до основного стану за рівнем енергії, в системі залишається менше маси. У цьому випадку відведене тепло являє собою саме «дефіцит» маси, а саме тепло зберігає втрачену масу (з точки зору початкової системи). Ця маса з'являється в будь-якій іншій системі, яка поглинає тепло і отримує теплову енергію.

Види енергії зв’язування:

Строго кажучи, існує кілька різних видів енергії зв’язування, яка базується на конкретній галузі дослідження. Що стосується фізики частинок, то енергія зв'язування стосується енергії, яку атом отримує від електромагнітної взаємодії, а також є кількістю енергії, необхідної для розбирання атома на вільні нуклони.

У разі вилучення електронів з атома, молекули чи іона необхідна енергія називається "енергією зв'язування електронів" (ака. Потенціал іонізації). Загалом енергія зв’язку одиничного протона чи нейтрона в ядрі приблизно в мільйон разів більша, ніж енергія зв’язку одного електрона в атомі.

В астрофізиці вчені використовують термін "гравітаційна зв'язуюча енергія" для позначення кількості енергії, яка знадобиться, щоб розтягнути (до нескінченності) об'єкт, утримуваний разом само тяжінням, тобто будь-який зоряний об'єкт, як зірка, планета чи комета. Це також стосується кількості енергії, яка звільняється (як правило, у вигляді тепла) під час накопичення такого предмета від матеріалу, що падає з нескінченності.

Нарешті, існує те, що називається енергією "зв'язок", яка є мірою міцності зв'язку в хімічних зв'язках, а також є енергією (теплом), яка знадобиться для розбиття хімічної сполуки на складові її атоми. В основному, енергія зв’язку - це саме те, що зв’язує наш Всесвіт разом. І коли різні його частини розбиваються, це кількість енергії, необхідної для його проведення.

Дослідження енергії зв'язування має численні сфери застосування, не останнє з яких - це виробництво ядерної енергії, електроенергії та хімічних речовин. І в найближчі роки і десятиліття це буде суттєвим у розвитку ядерного синтезу!

Ми написали багато статей про зв’язуючу енергію для Space Magazine. Ось що таке атомна модель Бора ?, що таке атомна модель Джона Далтона ?, що таке атомна модель пудингової сливи ?, що таке атомна маса? Та ядерний синтез у зірках.

Якщо вам потрібна додаткова інформація про енергію зв’язування, перегляньте статтю з гіперфізики про енергію ядерного зв’язування.

Ми також записали цілий епізод "Астрономічної ролі" про важливі номери у Всесвіті. Слухайте тут, Епізод 45: Важливі числа у Всесвіті.

Джерела: