Ste že kdaj pogledali košček kurilnega lesa in si pri sebi rekli: "gej, sprašujem se, koliko energije bi potrebovali, da to stvar razdelim"? Verjetno je, da nisi, le malo ljudi. Toda za fizike je vprašanje, koliko energije je potrebno, da nekaj ločimo na svoje sestavne dele, pravzaprav precej pomembno vprašanje.
Na področju fizike je to tako imenovana vezna energija ali količina mehanske energije, ki bi jo potrebovali za razstavljanje atoma na njegove ločene dele. Ta koncept znanstveniki uporabljajo na številnih različnih ravneh, kar vključuje atomsko raven, jedrsko raven ter astrofiziko in kemijo.
Jedrska sila:
Kot zagotovo ve kdo, ki se spomni njihove osnovne kemije ali fizike, so atomi sestavljeni iz subatomskih delcev, znanih kot nukleoni. Ti so sestavljeni iz pozitivno nabitih delcev (protonov) in nevtralnih delcev (nevtronov), ki so razporejeni v središču (v jedru). Ti so obkroženi z elektroni, ki krožijo v jedru in so razporejeni v različnih energijskih nivojih.
Razlog, da lahko subatomski delci, ki imajo bistveno različne naboje, obstajajo tako blizu skupaj, je v prisotnosti Močne jedrske sile - temeljne sile vesolja, ki omogoča privlačenje subatomskih delcev na kratkih razdaljah. Prav ta sila deluje proti odbojni sili (znani kot Coulomb Force), ki delce povzroči, da se odbijajo.
Zato bo vsak poskus delitve jedra na isto število prostih nevezanih nevtronov in protonov - tako da so dovolj oddaljeni drug od drugega, da močna jedrska sila ne more več povzročiti medsebojnega delovanja delcev - potrebovala dovolj energije, da se zlomi te jedrske vezi.
Tako vezavna energija ni le količina energije, ki je potrebna za pretrganje močnih vezi jedrske sile, ampak je tudi merilo moči vezi, ki drži nukleone skupaj.
Jedrska fisija in fuzija:
Da bi ločili nukleone, je treba v jedro dovajati energijo, kar običajno dosežemo z bombardiranjem jedra z visoko energijskimi delci. V primeru bombardiranja težkih atomskih jeder (na primer uranovih ali plutonijevih atomov) s protoni, to poznamo kot jedrsko cepitev.
Vendar pa ima energija vezave vlogo tudi pri jedrski fuziji, kjer se svetlobna jedra (npr. Atomi vodika) med visoko energijskimi stanji vežejo skupaj. Če je energija vezave produktov večja, ko se lahka jedra združijo ali ko se težka jedra cepijo, bo kateri koli od teh procesov povzročil sproščanje "dodatne" vezne energije. To energijo imenujemo jedrska energija, ali ohlapno kot jedrska energija.
Opažamo, da je masa katerega koli jedra vedno manjša od vsote mas posameznih sestavnih nukleonov, ki ga sestavljajo. "Izguba" mase, ki nastane, ko se nukleoni cepijo in tvorijo manjše jedro ali se združijo v večje jedro, se pripiše tudi energiji vezave. Ta manjkajoča masa se lahko med postopkom izgubi v obliki toplote ali svetlobe.
Ko se sistem ohladi na normalne temperature in se vrne v osnovna stanja glede na energijsko raven, ostane v sistemu manj mase. V tem primeru odstranjena toplota predstavlja natančno masni »primanjkljaj«, sama toplota pa zadržuje izgubljeno maso (z vidika začetnega sistema). Ta masa se pojavi v katerem koli drugem sistemu, ki absorbira toploto in pridobi toplotno energijo.
Vrste vezne energije:
Strogo gledano obstaja več različnih vrst vezavne energije, ki temelji na posameznem študijskem področju. Kar zadeva fiziko delcev, se vezna energija nanaša na energijo, ki jo atom pridobiva z elektromagnetnim medsebojnim delom, in je tudi količina energije, ki je potrebna za razstavljanje atoma v prosta nukleona.
V primeru odstranjevanja elektronov iz atoma, molekule ali iona je potrebna energija znana kot "energija vezave elektronov" (aka. Ionizacijski potencial). Na splošno je energija vezave posameznega protona ali nevtrona v jedru približno milijon krat večja od energije vezave posameznega elektrona v atomu.
V astrofiziki znanstveniki uporabljajo izraz "gravitacijska vezavna energija", da se nanašajo na količino energije, ki bi jo potrebovali, da bi samostojno gravitacijo raztrgala (do neskončnosti) predmet - tj. Katerikoli zvezdni predmet, kot je zvezda, planet ali a komet. Nanaša se tudi na količino energije, ki se sprosti (običajno v obliki toplote) med kopičenjem takega predmeta iz materiala, ki pade iz neskončnosti.
Nazadnje obstaja "energija vezi", ki je merilo jakosti vezi v kemičnih vezjih in je tudi količina energije (toplote), ki bi jo potrebovali, da se kemična spojina razbije v sestavne atome. V bistvu je vezna energija tista stvar, ki veže naše vesolje skupaj. Ko se razni deli razbijejo, je potrebna količina energije, da jo izpeljemo.
Študija vezavne energije ima številne aplikacije, med katerimi so najmanj naloge jedrske energije, električne energije in kemičnih izdelkov. In v prihodnjih letih in desetletjih bo bistveno pri razvoju jedrske fuzije!
Za Space Magazine smo napisali veliko člankov o vezavni energiji. Tukaj so: Bohrov model atomov ?, Kaj je Atomski model Johna Daltona ?, Kaj je atomski model Plum Pudding ?, Kaj je atomska masa ?, in Jedrska fuzija v zvezdah.
Če želite več informacij o vezavni energiji, si oglejte članek o hiperfiziki o jedrski vezivni energiji.
Posneli smo tudi celo epizodo Astronomy Cast o pomembnih številkah v vesolju. Poslušajte tukaj, Epizoda 45: Pomembne številke v vesolju.
Viri:
- Wikipedija - vezna energija
- Hiperfizika - jedrska vezna energija
- Evropsko jedrsko društvo - vezna energija
- Enciklopedija Britannica - vezna energija
