Energia wiązania - Binding energy

W fizyce i chemii energia wiązania to najmniejsza ilość energii potrzebna do usunięcia cząstki z układu cząstek lub do rozłożenia układu cząstek na pojedyncze części. W pierwszym znaczeniu termin ten jest używany głównie w fizyce materii skondensowanej, fizyce atomowej i chemii, podczas gdy w fizyce jądrowej używa się terminu energia separacji .

Związany system ma zazwyczaj niższy poziom energii niż jego niezwiązane składniki. Zgodnie z teorią względności, spadkowi Δ E w całkowitej energii układu towarzyszy spadek Δ M w całkowitej masie, gdzie Δ M⋅c 2E .

Rodzaje energii wiązania

Istnieje kilka rodzajów energii wiązania, z których każdy działa na inną odległość i skalę energii. Im mniejszy rozmiar związanego systemu, tym wyższa związana z nim energia wiązania.

Rodzaj Opis Przykład Poziom
Energia wiązania grawitacyjnego Grawitacyjne energii wiązania się z obiektem, na przykład jako ciało niebieskie jest energia wymagana do rozszerzenia materiału do nieskończoności. Gdyby ciało o masie i promieniu Ziemi składało się wyłącznie z wodoru-1 , to grawitacyjna energia wiązania tego ciała wynosiłaby około 0,391658 eV na atom. Gdyby ciało wodorowe-1 miało masę i promień Słońca , jego grawitacyjna energia wiązania wynosiłaby około 1 195,586 eV na atom. Poziom astrofizyczny
Energia obligacji; Energia dysocjacji więzi Energia wiązania i energia dysocjacji wiązania są miarami energii wiązania między atomami w wiązaniu chemicznym . Jest to energia potrzebna do rozłożenia cząsteczki na atomy składowe. Energia ta pojawia się jako energia chemiczna , np. uwalniana w wybuchach chemicznych , spalaniu paliwa chemicznego i procesach biologicznych . Energie wiązań i energie dysocjacji wiązań są zwykle w zakresie kilku eV na wiązanie. Energia dysocjacji wiązania wiązania węgiel-węgiel wynosi około 3,6 eV. Poziom molekularny
energia wiązania elektronów; Energia jonizacji Energia wiązania elektronów , bardziej znana jako energia jonizacji , jest miarą energii potrzebnej do uwolnienia elektronu z orbity atomowej lub z ciała stałego. Energia wiązania elektronów pochodzi z elektromagnetycznego oddziaływania elektronu z jądrem i innymi elektronami atomu , cząsteczki lub ciała stałego i odbywa się za pośrednictwem fotonów . Wśród pierwiastków chemicznych zakres energii jonizacji wynosi od 3,8939 eV dla najbardziej zewnętrznego elektronu w atomie cezu do 11,567617 keV dla najbardziej wewnętrznego elektronu w atomie miedzi . Poziom atomowy
Energia wiązania atomowego Atomowy energia wiązania atomu jest energia wymagana do demontażu atom do wolnych elektronów i jądra. Jest to suma energii jonizacji wszystkich elektronów należących do konkretnego atomu. Energia wiązania atomów pochodzi z elektromagnetycznego oddziaływania elektronów z jądrem, w którym pośredniczą fotony . Dla atomu helu o 2 elektronach energia wiązania atomów jest sumą energii pierwszej jonizacji (24.587 eV) i drugiej jonizacji (54,418 eV), co daje łącznie 79.005 eV. Poziom atomowy
Energia wiązania jądrowego Energia wiązania jądrowego to energia wymagana do rozłożenia jądra na wolne, niezwiązane neutrony i protony, z których się składa. Jest to ekwiwalent energetyczny defektu masy , różnica między liczbą masową jądra a jego zmierzoną masą. Energia wiązania jądrowego pochodzi od siły jądrowej lub szczątkowej siły silnej, w której pośredniczą trzy rodzaje mezonów . Średnia energia wiązania jądrowego na nukleon waha się od 2,22452 MeV dla wodoru-2 do 8,7945 MeV dla niklu-62 . Poziom jądrowy
Energia wiązania chromodynamiki kwantowej Energia wiązania chromodynamiki kwantowej nadużywa określenia braku energii. Odnosi się do masy i energii kinetycznej części, które łączą różne kwarki wewnątrz hadronu . Energia ta pochodzi z oddziaływania silnego , w którym pośredniczą gluony poprzez wirtualne gluony i kwarki morskie. Energia wiązania chromodynamicznego wewnątrz nukleonu wynosi około 99% masy nukleonu.

Energia wiązania chromodynamicznego protonu wynosi około 928,9 MeV, a neutronu około 927,7 MeV. Duża energia wiązania pomiędzy kwarkach dennych (280 MeV) powoduje pewne reakcje (teoretycznie oczekiwać) z barionów lambda do uwolnienia 138 MeV zdarzenie PER.

Poziom cząstek elementarnych

Relacja masa-energia

Związany system ma zazwyczaj niższy poziom energii niż jego niezwiązane składniki, ponieważ jego masa musi być mniejsza niż całkowita masa jego niezwiązanych składników. W przypadku systemów o niskich energiach wiązania ta „utracona” masa po związaniu może być ułamkowo mała, podczas gdy w przypadku systemów o wysokich energiach wiązania brakująca masa może być łatwo mierzalnym ułamkiem. Ta brakująca masa może zostać utracona podczas procesu wiązania jako energia w postaci ciepła lub światła, przy czym usunięta energia odpowiada usuniętej masie zgodnie z równaniem Einsteina E = mc 2 . W procesie wiązania składniki układu mogą wchodzić w wyższe stany energetyczne jądra/atomu/cząsteczki zachowując swoją masę, dlatego konieczne jest ich usunięcie z układu, zanim jego masa może się zmniejszyć. Gdy system ochłodzi się do normalnej temperatury i powróci do stanów podstawowych dotyczących poziomów energii, będzie zawierał mniej masy niż podczas pierwszego połączenia i miał wysoką energię. Ta utrata ciepła reprezentuje „deficyt masy”, a samo ciepło zachowuje utraconą masę (z punktu widzenia początkowego układu). Masa ta pojawi się w każdym innym układzie, który pochłania ciepło i pozyskuje energię cieplną.

Na przykład, jeśli dwa obiekty przyciągają się w przestrzeni poprzez swoje pole grawitacyjne , siła przyciągania przyspiesza te obiekty, zwiększając ich prędkość, co zamienia ich energię potencjalną (grawitację) na energię kinetyczną. Kiedy cząstki albo przechodzą przez siebie bez interakcji, albo elastycznie odpychają się podczas zderzenia, uzyskana energia kinetyczna (związana z prędkością) zaczyna zamieniać się w energię potencjalną, rozsuwając zderzane cząstki. Spowalniające cząstki powrócą na początkową odległość i dalej w nieskończoność lub zatrzymają się i powtórzą zderzenie (zachodzi oscylacja). To pokazuje, że układ, który nie traci energii, nie łączy się (wiąże) w ciało stałe, którego części oscylują na krótkich dystansach. Dlatego, aby związać cząstki, energia kinetyczna uzyskana w wyniku przyciągania musi zostać rozproszona przez siłę oporu. Obiekty złożone w zderzeniu zwykle ulegają zderzeniom nieelastycznym , zamieniając część energii kinetycznej na energię wewnętrzną (ciepło, czyli ruch atomowy), która jest dalej wypromieniowana w postaci fotonów - światło i ciepło. Gdy energia do ucieczki grawitacji zostanie rozproszona w zderzeniu, części będą oscylować w bliższej, prawdopodobnie atomowej, odległości, dzięki czemu będą wyglądać jak jeden stały obiekt. Ta utracona energia, niezbędna do pokonania potencjalnej bariery oddzielającej obiekty, jest energią wiążącą. Gdyby ta energia wiązania została zatrzymana w układzie jako ciepło, jego masa nie zmniejszyłaby się, natomiast energia wiązania utracona z układu jako promieniowanie cieplne sama miałaby masę. Bezpośrednio reprezentuje „deficyt masy” zimnego, związanego układu.

Ściśle analogiczne rozważania mają zastosowanie w reakcjach chemicznych i jądrowych. Egzotermiczne reakcje chemiczne w układach zamkniętych nie zmieniają masy, ale stają się mniej masywne po usunięciu ciepła reakcji, chociaż ta zmiana masy jest zbyt mała, aby zmierzyć ją standardowym sprzętem. W reakcjach jądrowych ułamek masy, który można usunąć jako światło lub ciepło, czyli energia wiązania, jest często znacznie większym ułamkiem masy układu. Można go zatem mierzyć bezpośrednio jako różnicę mas między masami resztowymi reagentów i (schłodzonych) produktów. Dzieje się tak, ponieważ siły jądrowe są stosunkowo silniejsze niż siły kulombowskie związane z interakcjami między elektronami i protonami, które wytwarzają ciepło w chemii.

Zmiana masy

Zmiana masy (zmniejszenie), a zwłaszcza systemów związanych jąder atomowych, jest również określany jako wadę masy , deficyt masy lub masa część opakowania .

Różnica między systemem niezwiązanego masa obliczona i doświadczalnie zmierzonym masy jądra (zmiana masy), jest oznaczona jako hemibursztynianu m . Można go obliczyć w następujący sposób:

Zmiana masy = (niezwiązana obliczona masa systemu) - (zmierzona masa systemu)
np. (suma mas protonów i neutronów) − (masa zmierzona jądra)

Po wystąpieniu reakcji jądrowej, w wyniku której powstaje wzbudzone jądro, energia, która musi zostać wypromieniowana lub w inny sposób usunięta jako energia wiązania, aby rozpadła się do stanu niewzbudzonego, może mieć jedną z kilku postaci. Mogą to być fale elektromagnetyczne, takie jak promieniowanie gamma ; energia kinetyczna wyrzuconej cząstki, takiej jak elektron, podczas wewnętrznego rozpadu konwersji ; lub częściowo jako masa spoczynkowa jednej lub więcej emitowanych cząstek, takich jak cząstki rozpadu beta . Teoretycznie żaden deficyt masy nie może się pojawić, dopóki to promieniowanie lub ta energia nie zostanie wyemitowana i nie będzie już częścią systemu.

Kiedy nukleony łączą się ze sobą tworząc jądro, muszą stracić niewielką ilość masy, tj. następuje zmiana masy, aby pozostać związanym. Ta zmiana masy musi być uwolniona jako różne rodzaje fotonu lub innej energii cząstek, jak wyżej, zgodnie z zależnością E = mc 2 . Zatem po usunięciu energii wiązania energia wiązania = zmiana masy × c 2 . Ta energia jest miarą sił, które utrzymują razem nukleony. Reprezentuje energię, która musi być ponownie dostarczana ze środowiska, aby jądro zostało rozbite na pojedyncze nukleony.

Na przykład atom deuteru ma defekt masy 0,0023884 amu, a jego energia wiązania jest prawie równa 2,23 MeV. Oznacza to, że do rozpadu atomu deuteru potrzebne jest 2,23 MeV energii.

Energia wydzielana podczas syntezy jądrowej lub rozszczepienia jądrowego jest różnicą energii wiązania „paliwa”, tj. nuklidów początkowych, od energii produktów rozszczepienia lub syntezy jądrowej. W praktyce energię tę można również obliczyć na podstawie znacznych różnic masowych między paliwem a produktami, wykorzystując wcześniejsze pomiary mas atomowych znanych nuklidów, które zawsze mają taką samą masę dla każdego gatunku. Ta różnica mas pojawia się po usunięciu wydzielonego ciepła i promieniowania, co jest wymagane do pomiaru (pozostałych) mas (niewzbudzonych) nuklidów biorących udział w takich obliczeniach.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki