Вы когда-нибудь смотрели на кусок дров и говорили себе: «Ну и дела, интересно, сколько энергии потребуется, чтобы разделить эту штуку»? Скорее всего, нет, мало кто. Но для физиков вопрос о том, сколько энергии необходимо для разделения чего-либо на составляющие части, на самом деле является довольно важным вопросом.
В области физики это то, что известно как энергия связи, или количество механической энергии, которое потребуется, чтобы разобрать атом на отдельные части. Эта концепция используется учеными на многих различных уровнях, включая атомный уровень, ядерный уровень, а также в астрофизике и химии.
Ядерная сила:
Любой, кто помнит их основную химию или физику, наверняка знает, что атомы состоят из субатомных частиц, известных как нуклоны. Они состоят из положительно заряженных частиц (протонов) и нейтральных частиц (нейтронов), которые расположены в центре (в ядре). Они окружены электронами, которые вращаются вокруг ядра и расположены на разных уровнях энергии.
Причина, по которой субатомные частицы, которые имеют принципиально разные заряды, могут существовать так близко друг к другу, заключается в наличии Сильной Ядерной Силы - фундаментальной силы Вселенной, которая позволяет субатомным частицам притягиваться на короткие расстояния. Именно эта сила противодействует отталкивающей силе (известной как кулоновская сила), которая заставляет частицы отталкивать друг друга.
Следовательно, любая попытка разделить ядро на одинаковое количество свободных несвязанных нейтронов и протонов - так, чтобы они были достаточно далеко / достаточно далеко друг от друга, чтобы сильная ядерная сила больше не могла заставить частицы взаимодействовать, - потребует достаточно энергии, чтобы разрушиться. эти ядерные связи.
Таким образом, энергия связи - это не только количество энергии, необходимое для разрыва сильных ядерных силовых связей, это также мера силы связей, удерживающих нуклоны вместе.
Ядерное деление и синтез:
Чтобы разделить нуклоны, энергия должна поступать в ядро, что обычно достигается бомбардировкой ядра частицами высокой энергии.. В случае бомбардировки тяжелых атомных ядер (таких как атомы урана или плутония) протонами это называется делением ядер.
Однако энергия связи также играет роль в ядерном синтезе, когда легкие ядра вместе (такие как атомы водорода) связаны друг с другом в состояниях высокой энергии. Если энергия связи для продуктов выше, когда легкие ядра сливаются или когда тяжелые ядра расщепляются, любой из этих процессов приведет к высвобождению «дополнительной» энергии связи. Эта энергия упоминается как ядерная энергия, или слабо, как ядерная энергия.
Замечено, что масса любого ядра всегда меньше, чем сумма масс отдельных составляющих нуклонов, из которых он состоит. «Потеря» массы, которая возникает, когда нуклоны расщепляются с образованием меньшего ядра или сливаются с образованием большего ядра, также приписываются энергии связи. Эта недостающая масса может быть потеряна во время процесса в виде тепла или света.
Как только система охлаждается до нормальных температур и возвращается в основное состояние с точки зрения уровней энергии, в системе остается меньше массы. В этом случае удаленное тепло представляет собой именно «дефицит» массы, а само тепло сохраняет потерянную массу (с точки зрения исходной системы). Эта масса появляется в любой другой системе, которая поглощает тепло и получает тепловую энергию.
Типы энергии связывания:
Строго говоря, существует несколько различных типов энергии связи, которая основана на конкретной области исследования. Когда дело доходит до физики элементарных частиц, энергия связи относится к энергии, которую атом получает в результате электромагнитного взаимодействия, а также к количеству энергии, необходимой для разборки атома в свободные нуклоны.
В случае удаления электронов из атома, молекулы или иона необходимая энергия известна как «энергия связи электрона» (или ионизационный потенциал). В общем, энергия связи одного протона или нейтрона в ядре примерно в миллион раз больше, чем энергия связи одного электрона в атоме.
В астрофизике ученые используют термин «гравитационная энергия связи» для обозначения количества энергии, которое потребуется для разрыва (на бесконечность) объекта, удерживаемого вместе только гравитацией - то есть любого звездного объекта, такого как звезда, планета или кометы. Это также относится к количеству энергии, которая выделяется (обычно в форме тепла) во время аккреции такого объекта из материала, падающего из бесконечности.
Наконец, есть то, что известно как энергия «связи», которая является мерой прочности связи в химических связях, а также является количеством энергии (тепла), которое потребуется для расщепления химического соединения на составляющие его атомы. По сути, энергия связи - это то, что связывает нашу Вселенную. И когда различные его части разбиты на части, это количество энергии, необходимое для его осуществления.
Изучение энергии связи имеет множество применений, не последним из которых являются ядерная энергетика, электричество и химическое производство. И в ближайшие годы и десятилетия это будет неотъемлемым элементом развития ядерного синтеза!
Мы написали много статей об энергии связи для журнала Space. Вот что такое атомная модель Бора? Что такое атомная модель Джона Далтона? Что такое атомная модель сливового пудинга? Что такое атомная масса? И Ядерный синтез в звездах.
Если вам нужна дополнительная информация об энергии связи, ознакомьтесь со статьей Hyperphysics об энергии ядерной связи.
Мы также записали целый эпизод «Астрономического актера», посвященный важным числам во вселенной. Послушайте, Эпизод 45: Важные числа во Вселенной.
Источники:
- Википедия - Связывающая энергия
- Гиперфизика - энергия ядерной связи
- Европейское ядерное общество - обязательная энергия
- Энциклопедия Британика - Энергия Связи
