Случвало ли ви се е да погледнете парче дърва за огрев и да си кажете: „Боже, чудя се колко енергия ще отнеме, за да се раздели това нещо на разстояние“? Шансовете са, че не сте, малко хора го правят. Но за физиците питането колко енергия е необходима, за да се раздели нещо на съставните му части, всъщност е доста важен въпрос.
В областта на физиката това е известно като свързваща енергия или количеството механична енергия, което би било необходимо за разглобяването на един атом на отделните му части. Тази концепция се използва от учените на много различни нива, което включва атомното ниво, ядреното ниво и в астрофизиката и химията.
Ядрена сила:
Както всеки помни основната си химия или физика със сигурност знае, атомите са съставени от субатомни частици, известни като нуклони. Те се състоят от положително заредени частици (протони) и неутрални частици (неутрони), които са разположени в центъра (в ядрото). Те са заобиколени от електрони, които обикалят около ядрото и са подредени в различни енергийни нива.
Причината субатомните частици, които имат коренно различни заряди, да могат да съществуват толкова близо един до друг, е поради наличието на Силна ядрена сила - основна сила на Вселената, която позволява да се привличат субатомни частици на къси разстояния. Именно тази сила противодейства на отблъскващата сила (известна като Кулоновата сила), която кара частиците да се отблъскват взаимно.
Следователно всеки опит за разделяне на ядрото на същия брой свободни несвързани неутрони и протони - така че те да са достатъчно далечни / отдалечени един от друг, че силната ядрена сила вече не може да предизвика взаимодействието на частиците - ще изисква достатъчно енергия, за да се разруши тези ядрени връзки.
По този начин енергията на свързване е не само количеството енергия, необходимо за разрушаване на силни ядрени сили, но е и мярка за силата на връзките, които държат нуклоните заедно.
Ядрен делене и синтез:
За да се отделят нуклеоните, трябва да се подава енергия в ядрото, което обикновено се осъществява чрез бомбардиране на ядрото с високоенергийни частици. В случай на бомбардиране на тежки атомни ядра (като уранови или плутониеви атоми) с протони, това е известно като ядрен делене.
Обаче свързващата енергия също играе роля в ядрения синтез, където леките ядра заедно (като водородни атоми) са свързани заедно при високо енергийни състояния. Ако енергията на свързване на продуктите е по-висока, когато леките ядра се разпадат или когато тежки ядра се разделят, един от тези процеси ще доведе до освобождаване на „допълнителната“ свързваща енергия. Тази енергия се нарича ядрена енергия или слабо като ядрена енергия.
Наблюдава се, че масата на всяко ядро винаги е по-малка от сумата от масите на отделните съставни нуклеони, които го съставят. "Загубата" на маса, която се получава, когато нуклоните се разделят, за да образуват по-малко ядро или се сливат, за да образуват по-голямо ядро, също се приписват на енергия на свързване. Тази липсваща маса може да се загуби по време на процеса под формата на топлина или светлина.
След като системата се охлади до нормалните температури и се върне в земните състояния по отношение на енергийните нива, остава по-малко маса в системата. В този случай отстранената топлина представлява точно „дефицита“ на масата, а самата топлина запазва загубената маса (от гледна точка на първоначалната система). Тази маса се появява във всяка друга система, която абсорбира топлината и печели топлинна енергия.
Видове енергия на свързване:
Строго погледнато, има няколко различни вида свързваща енергия, която се основава на конкретната област на изследване. Що се отнася до физиката на частиците, свързващата енергия се отнася до енергията, която атомът получава от електромагнитното взаимодействие, а също така е и количеството енергия, необходимо за разглобяване на атом на свободни нуклони.
В случай на отстраняване на електрони от атом, молекула или йон, необходимата енергия е известна като „енергия на свързване на електроните“ (известен също като йонизационен потенциал). По принцип енергията на свързване на единичен протон или неутрон в ядро е приблизително милион пъти по-голяма от енергията на свързване на единичен електрон в атом.
В астрофизиката учените използват термина „гравитационна обвързваща енергия“, за да означават количеството енергия, необходимо за разделяне (до безкрайност) предмет, държан заедно само от гравитацията - т.е. всеки звезден обект като звезда, планета или комета. Освен това се отнася до количеството енергия, което се освобождава (обикновено под формата на топлина) по време на натрупването на такъв предмет от материал, падащ от безкрайността.
И накрая, има нещо, което е известно като "връзка" енергия, което е мярка за силата на връзката в химичните връзки, а също така е и количеството енергия (топлина), необходимо за разграждане на химично съединение в съставните му атоми. По принцип свързващата енергия е самото нещо, което свързва нашата Вселена заедно. И когато различни части от него се разпадат, това е количеството енергия, необходимо за осъществяването му.
Проучването на свързващата енергия има много приложения, като най-малкото от тях са производството на ядрена енергия, електричество и химикали. И в следващите години и десетилетия това ще бъде присъщо в развитието на ядрения синтез!
Написахме много статии за свързваща енергия за Space Magazine. Ето какво е атомният модел на Бор ?, какво е атомният модел на Джон Далтън ?, какъв е атомният модел на Plum Pudding ?, какво е атомна маса? И ядрен синтез в звезди.
Ако искате повече информация за свързващата енергия, разгледайте статията на Hyperphysics относно ядрената свързваща енергия.
Записахме и цял епизод на Астрономията в ролите за важните числа във Вселената. Слушайте тук, Епизод 45: Важните числа във Вселената.
Източници:
- Уикипедия - обвързваща енергия
- Хиперфизика - ядрено свързваща енергия
- Европейско ядрено общество - обвързваща енергия
- Енциклопедия Британика - обвързваща енергия
