Jeste li ikad pogledali komad ogrevnog drveta i rekli sebi: "Bože, pitam se koliko bi energije trebalo da to stvar razdijeliš"? Šanse su da, nemaš, malo ljudi zna. Ali za fizičare pitanje koliko je energije potrebno da se nešto odvoji na njegove sastavne dijelove zapravo je prilično važno pitanje.
U području fizike, to je ono što je poznato kao energija vezanja, ili količina mehaničke energije koja bi bila potrebna za rastavljanje atoma na njegove zasebne dijelove. Ovaj koncept znanstvenici koriste na mnogim različitim razinama, što uključuje atomsku razinu, nuklearnu razinu, te astrofiziku i kemiju.
Nuklearna sila:
Kao što se tko sjeća njihove osnovne kemije ili fizike sigurno zna, atomi su sačinjeni od subatomskih čestica poznatih kao nukleoni. Oni se sastoje od pozitivno nabijenih čestica (protona) i neutralnih čestica (neutrona) koje su smještene u središtu (u jezgri). Oni su okruženi elektronima koji orbitiraju oko jezgre i raspoređeni su u različitim razinama energije.
Razlog zbog kojeg subatomske čestice koje imaju bitno različite naboje mogu postojati tako blizu jedan od drugoga, je zbog postojanja Jake nuklearne sile - temeljne sile svemira koja omogućuje privlačenje subatomskih čestica na kratkim udaljenostima. Upravo ta sila djeluje protivno odbojnoj sili (poznatoj kao Coulomb Force) koja uzrokuje da se čestice odbijaju jedna o drugoj.
Stoga će svaki pokušaj dijeljenja jezgre na isti broj slobodnih nevezanih neutrona i protona - tako da su dovoljno udaljeni / udaljeni jedan od drugoga da jaka nuklearna sila više ne može uzrokovati interakciju čestica - zahtijevati dovoljno energije da se razbije ove nuklearne veze.
Stoga, energija vezivanja nije samo količina energije koja je potrebna da bi se prekinule snažne veze nuklearne sile, već je i mjera snage veza koje nukleon drži zajedno.
Nuklearna fisija i fuzija:
Da bi se odvojile nukleoni, u jezgru se mora dopremiti energija, što se obično postiže bombardiranjem jezgre česticama visoke energije. U slučaju bombardiranja protona teškim atomskim jezgrama (poput atoma urana ili plutonija), to je poznato pod nazivom nuklearna fisija.
Međutim, energija vezivanja također igra ulogu u nuklearnoj fuziji, gdje se lagane jezgre (poput vodikovih atoma) vežu zajedno u uvjetima visoke energije. Ako je energija vezivanja proizvoda veća kada se lagane jezgre spajaju ili kada se teške jezgre razdvajaju, bilo koji od ovih procesa rezultirat će oslobađanjem „dodatne“ energije vezanja. Ovu energiju nazivamo nuklearnom energijom ili lagano kao nuklearnom energijom.
Uočeno je da je masa bilo kojeg jezgra uvijek manja od zbroja masa pojedinih sastavnih nukleona koji ga čine. "Gubitak" mase koji nastaje kad se nukleoni razdvoje u manje jezgre ili se spoje u veće jezgro, također se pripisuje energiji vezanja. Ta nestala masa može se izgubiti tijekom postupka u obliku topline ili svjetlosti.
Nakon što se sustav ohladi na normalne temperature i vrati se u osnovna stanja u odnosu na energetsku razinu, u njemu ostaje manja masa. U tom slučaju uklonjena toplina predstavlja upravo „deficit“ mase, a sama toplina zadržava izgubljenu masu (sa stajališta početnog sustava). Ta se masa pojavljuje u bilo kojem drugom sustavu koji apsorbira toplinu i dobiva toplinsku energiju.
Vrste energije vezanja:
Strogo gledano, postoji nekoliko različitih vrsta energije vezanja koja se temelji na određenom području proučavanja. Kada je u pitanju fizika čestica, energija vezanja odnosi se na energiju koju atom dobiva iz elektromagnetske interakcije, a također je i količina energije koja je potrebna da rastavi atom u slobodna nukleona.
U slučaju uklanjanja elektrona iz atoma, molekule ili iona, potrebna energija poznata je kao "energija vezivanja elektrona" (aka. Ionizacijski potencijal). Općenito, energija vezanja pojedinog protona ili neutrona u jezgri je otprilike milijun puta veća od energije vezanja jednog elektrona u atomu.
U astrofizici znanstvenici koriste izraz "gravitaciona energija vezanja" da bi se odnosila na količinu energije koja bi bila potrebna da se razdvoji (u beskonačnost) objekt koji drži sama gravitacija - tj. Bilo koji zvjezdani objekt poput zvijezde, planete ili kometa. Također se odnosi na količinu energije koja se oslobađa (obično u obliku topline) tijekom akumulacije takvog predmeta od materijala koji pada iz beskonačnosti.
Konačno, postoji ono što je poznato kao "veza" energija, što je mjera čvrstoće veze u kemijskim vezama, a ujedno je i količina energije (topline) koja bi bila potrebna za razbijanje kemijskog spoja do njegovih sastavnih atoma. U osnovi, energija vezanja je upravo ono što povezuje naš Univerzum zajedno. A kad se različiti dijelovi razdvoje, to je količina energije koja je potrebna da se ona provede.
Studija energije vezanja ima brojne primjene, od kojih su najmanje bitne nuklearna energija, električna energija i kemijska proizvodnja. I u narednim godinama i desetljećima bit će nužno u razvoju nuklearne fuzije!
Napisali smo mnogo članaka o vezivanju energije za Space Magazine. Evo što je Bohrov atomski model ?, što je John Dalton-ov atomski model ?, Što je atomski model pudinga od šljive ?, što je atomska masa? I nuklearna fuzija u zvijezdama.
Ako želite više informacija o vezivojnoj energiji, pogledajte članak o hiperfizici o energiji vezivanja nuklearne energije.
Također smo snimili i cijelu epizodu Astronomske igre o važnim brojevima u svemiru. Slušajte ovdje, epizoda 45: Važni brojevi u svemiru.
izvori:
- Wikipedija - energija vezivanja
- Hiperfizika - energija nuklearnog vezivanja
- Europsko nuklearno društvo - vezna energija
- Enciklopedija Britannica - vezna energija
