Už ste niekedy navštívili kus palivového dreva a povedali ste si: „Páni, zaujímalo by ma, koľko energie by bolo potrebné na rozdelenie tejto veci na seba?“ Šance sú, nie, nie, málo ľudí áno. Ale pre fyzikov je otázka, koľko energie je potrebné na to, aby sa niečo rozdelilo na jednotlivé časti, v skutočnosti veľmi dôležitá otázka.
V oblasti fyziky je to známe ako väzbová energia alebo množstvo mechanickej energie, ktorú by bolo potrebné na rozloženie atómu na jeho samostatné časti. Túto koncepciu používajú vedci na mnohých rôznych úrovniach, medzi ktoré patrí atómová úroveň, atómová úroveň a astrofyzika a chémia.
Jadrová sila:
Ako každý, kto si pamätá svoju základnú chémiu alebo fyziku, vie, atómy sú zložené zo subatomárnych častíc známych ako nukleóny. Pozostávajú z kladne nabitých častíc (protónov) a neutrálnych častíc (neutrónov), ktoré sú usporiadané v strede (v jadre). Sú obklopené elektrónmi, ktoré obiehajú okolo jadra a sú usporiadané do rôznych energetických úrovní.
Dôvod, prečo subatomické častice, ktoré majú zásadne odlišné náboje, sú schopné existovať tak blízko pri sebe, je kvôli prítomnosti Silnej nukleárnej sily - základnej sily vesmíru, ktorá umožňuje prilákanie subatomických častíc na krátke vzdialenosti. Je to sila, ktorá pôsobí proti odpudivej sile (známej ako Coulombova sila), ktorá spôsobuje, že sa častice odpudzujú.
Preto akýkoľvek pokus rozdeliť jadro na rovnaký počet voľných neviazaných neutrónov a protónov - takže sú dosť ďaleko od seba, aby silná jadrová sila už nemohla spôsobiť interakciu častíc - bude vyžadovať dostatok energie na rozbitie tieto jadrové väzby.
Väzbová energia teda nie je iba množstvo energie potrebné na prerušenie silných väzieb jadrovej sily, je to tiež miera sily väzieb, ktoré držia nukleóny pohromade.
Jadrové štiepenie a fúzia:
Aby sa oddelili nukleóny, musí byť do jadra privedená energia, ktorá sa zvyčajne dosiahne bombardovaním jadra vysokoenergetickými časticami.. V prípade bombardovania ťažkých atómových jadier (ako sú atómy uránu alebo plutónia) protónmi sa to nazýva jadrové štiepenie.
Väzbová energia však tiež hrá úlohu v jadrovej fúzii, kde ľahké jadrá spolu (napríklad atómy vodíka) sú spolu spojené pod vysokými energetickými stavmi. Ak je väzobná energia pre produkty vyššia, keď sa fúzia ľahkých jadier alebo keď sa ťažké jadrá štiepia, výsledkom jedného z týchto procesov bude uvoľnenie „extra“ väzbovej energie. Táto energia sa označuje ako jadrová energia alebo voľne ako jadrová energia.
Poznamenáva sa, že hmotnosť akéhokoľvek jadra je vždy menšia ako súčet hmotností jednotlivých tvoriacich jadier, ktoré ho tvoria. „Strata“ hmoty, ktorá nastane, keď sa nukleóny rozdelia na menšie jadro alebo sa zlúčia do väčšieho jadra, sa pripisuje aj väzbovej energii. Táto chýbajúca hmota sa môže počas procesu stratiť vo forme tepla alebo svetla.
Akonáhle sa systém ochladí na normálne teploty a vráti sa do stavu z hľadiska úrovne energie, zostane v systéme menej hmoty. V takom prípade predstavuje odvádzané teplo presne hmotnostný „deficit“ a samotné teplo si zachováva stratenú hmotu (z hľadiska počiatočného systému). Táto hmota sa objavuje v akomkoľvek inom systéme, ktorý absorbuje teplo a získava tepelnú energiu.
Druhy väzbovej energie:
Presne povedané, existuje niekoľko rôznych druhov väzbovej energie, ktorá je založená na konkrétnom študijnom odbore. Pokiaľ ide o fyziku častíc, väzbová energia sa týka energie, ktorú atóm pochádza z elektromagnetickej interakcie, a je to tiež množstvo energie potrebné na rozloženie atómu na voľné nukleóny.
V prípade odstránenia elektrónov z atómu, molekuly alebo iónu je požadovaná energia známa ako „energia viažuca elektróny“ (aka. Ionizačný potenciál). Všeobecne je väzbová energia jedného protónu alebo neutrónu v jadre približne miliónkrát väčšia ako väzbová energia jedného elektrónu v atóme.
V astrofyzike vedci používajú termín „gravitačná väzbová energia“ na označenie množstva energie, ktorú by potrebovalo na roztrhnutie (nekonečno) objektu, ktorý je držaný pohromade len gravitáciou - tj akýkoľvek hviezdny objekt ako hviezda, planéta alebo kométa. Vzťahuje sa tiež na množstvo energie, ktorá sa uvoľňuje (zvyčajne vo forme tepla) počas narastania takéhoto objektu z materiálu padajúceho z nekonečna.
Nakoniec existuje tzv. „Väzbová“ energia, ktorá je mierou pevnosti väzby v chemických väzbách, a je to aj množstvo energie (teplo), ktoré by bolo potrebné na rozloženie chemickej zlúčeniny na jej základné atómy. V podstate je väzobná energia to pravé, čo spája náš vesmír. A keď sa jej rôzne časti rozpadnú, je to množstvo energie potrebné na jeho uskutočnenie.
Štúdium väzobnej energie má mnoho aplikácií, v neposlednom rade je to výroba jadrovej energie, elektriny a chemikálií. A v nadchádzajúcich rokoch a desaťročiach to bude prirodzené vo vývoji jadrovej fúzie!
Napísali sme veľa článkov o väzobnej energii pre časopis Space. Tu je Čo je Bohrov atómový model ?, Čo je atómový model Johna Daltona ?, Čo je atómový model slivkového pudingu ?, Čo je atómová hmota? A jadrová fúzia vo hviezdach.
Ak chcete získať viac informácií o väzbovej energii, prečítajte si článok Hyperphysics o jadrovej väzbovej energii.
Zaznamenali sme tiež celú epizódu Obsadenia astronómie o dôležitých číslach vo vesmíre. Počúvajte tu, epizóda 45: Dôležité čísla vo vesmíre.
zdroj:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperfyzika - jadrová väzbová energia
- Európska jadrová spoločnosť - Záväzná energia
- Encyklopédia Britannica - Binding Energy
