Vazebná energie - Binding energy

Ve fyzice a chemii je vazebná energie nejmenší množství energie potřebné k odstranění částice ze systému částic nebo k rozebrání systému částic na jednotlivé části. V prvním smyslu je tento termín převážně používán ve fyzice kondenzovaných látek, atomové fyzice a chemii, zatímco v jaderné fyzice se používá termín separační energie .

Vázaný systém je obvykle na nižší energetické úrovni než jeho nevázané složky. Podle teorie relativity, je Δ E pokles celkové energie soustavy je doprovázen poklesem Δ M v celkové hmotnosti, kde Δ M⋅c 2 = delta E .

Druhy vazebné energie

Existuje několik typů vazebné energie, z nichž každý pracuje na jiné vzdálenosti a energetickém měřítku. Čím menší je velikost vázaného systému, tím vyšší je jeho přidružená vazebná energie.

Typ Popis Příklad Úroveň
Gravitační vazebná energie Gravitační vazební energie objektu, jako je nebeské těleso , je energie potřebná k rozšíření materiálu do nekonečna. Pokud by těleso o hmotnosti a poloměru Země bylo vyrobeno čistě z vodíku-1 , pak by gravitační vazebná energie tohoto tělesa byla asi 0,391658 eV na atom. Pokud by mělo tělo vodíku-1 hmotnost a poloměr Slunce , jeho gravitační vazebná energie by byla asi 1 195 586 eV na atom. Astrofyzikální úroveň
Energie dluhopisů; Energie disociační vazby Bond energie a vazba-disociace energie jsou míry vazebné energie mezi atomy v chemické vazby . Je to energie potřebná k rozebrání molekuly na její atomy. Tato energie se jeví jako chemická energie , například ta, která se uvolňuje při chemických explozích , spalování chemického paliva a biologických procesech. Energie vazeb a energie disociace vazeb se obvykle pohybují v rozmezí několika eV na vazbu. Energie disociační vazby vazby uhlík-uhlík je asi 3,6 eV. Molekulární úroveň
Energie vázající elektrony; Ionizační energie Energie vázající elektron , obecněji známá jako ionizační energie , je mírou energie potřebné k uvolnění elektronu z jeho atomového orbitálu nebo z pevné látky. Energie vázající elektron je odvozena z elektromagnetické interakce elektronu s jádrem a ostatními elektrony atomu , molekuly nebo pevné látky a je zprostředkována fotony . Mezi chemickými prvky je rozsah ionizačních energií od 3,8939 eV pro nejvzdálenější elektron v atomu cesia do 11,567617 keV pro nejvnitřnější elektron v atomu mědi . Atomová úroveň
Atomová vazebná energie Atomová vazebná energie atomu je energie nutné rozebrat atom do volných elektronů a jádra. Je to součet ionizačních energií všech elektronů patřících konkrétnímu atomu. Atomová vazebná energie pochází z elektromagnetické interakce elektronů s jádrem, zprostředkované fotony . U atomu helia se 2 elektrony je atomová vazebná energie součtem energie první ionizace (24,587 eV) a energie druhé ionizace (54,418 eV), celkem tedy 79,005 eV. Atomová úroveň
Energie vázající jadernou energii Jaderná vazebná energie je energie potřebná k rozebrání jádra na volné, nevázané neutrony a protony, ze kterých se skládá. Je to energetický ekvivalent hmotnostní vady , rozdíl mezi hmotnostním číslem jádra a jeho naměřenou hmotností. Energie vázající jadernou energii pochází z jaderné síly nebo zbytkové silné síly, která je zprostředkována třemi typy mezonů . Průměrná jaderná vazebná energie na nukleon se pohybuje od 2,2 2452 MeV pro vodík-2 do 8,7945 MeV pro nikl-62 . Jaderná úroveň
Kvantová chromodynamika vazebná energie Energie vázající kvantovou chromodynamiku zneužívá označení nedostatku energie. Řeší hmotnost a kinetickou energii částí, které váží různé kvarky k sobě uvnitř hadronu . Tato energie pochází ze silné interakce , kterou zprostředkovávají gluony prostřednictvím virtuálních gluonů a mořských kvarků. Chromodynamická vazebná energie uvnitř nukleonu činí přibližně 99% hmotnosti nukleonu.

Chromodynamická vazebná energie protonu je asi 928,9 MeV, zatímco neutronu je asi 927,7 MeV. Velký vazebné energie mezi spodními kvarky (280 MeV) způsobuje některé (teoreticky očekávané) reakce s lambda baryons k uvolnění 138 MeV za události.

Úroveň elementárních částic

Vztah hmoty a energie

Vázaný systém je obvykle na nižší energetické úrovni než jeho nevázané složky, protože jeho hmotnost musí být menší než celková hmotnost jeho nevázaných složek. U systémů s nízkými vazebnými energiemi může být tato „ztracená“ hmotnost po vazbě zlomkově malá, zatímco u systémů s vysokými vazebnými energiemi může být chybějící hmotnost snadno měřitelnou frakcí. Tato chybějící hmota může být ztracena během procesu vazby jako energie ve formě tepla nebo světla, přičemž odstraněná energie odpovídá odebrané hmotě prostřednictvím Einsteinovy ​​rovnice E = mc 2 . V procesu vazby mohou složky systému vstoupit do vyšších energetických stavů jádra/atomu/molekuly při zachování své hmotnosti, a proto je nutné, aby byly ze systému odstraněny dříve, než se jeho hmotnost může snížit. Jakmile se systém ochladí na normální teploty a vrátí se do stavů země ohledně energetických hladin, bude obsahovat méně hmoty, než když se poprvé kombinoval a měl vysokou energii. Tato ztráta tepla představuje „hmotnostní deficit“ a teplo si samo uchovává ztracenou hmotu (z pohledu počátečního systému). Tato hmota se objeví v jakémkoli jiném systému, který absorbuje teplo a získává tepelnou energii.

Pokud se například dva objekty navzájem přitahují v prostoru prostřednictvím svého gravitačního pole , přitažlivá síla zrychluje objekty a zvyšuje jejich rychlost, která převádí jejich potenciální energii (gravitaci) na kinetickou energii. Když částice buď procházejí navzájem bez interakce, nebo se během srážky elasticky odpuzují, získaná kinetická energie (související s rychlostí) se začne přeměňovat na potenciální energii, která odděluje sražené částice od sebe. Zpomalující částice se vrátí do počáteční vzdálenosti a dále do nekonečna, nebo se zastaví a kolizi opakují (dochází k oscilaci). To ukazuje, že systém, který neztrácí žádnou energii, se nespojuje (neváže) do pevného předmětu, jehož části oscilují na krátké vzdálenosti. Proto k navázání částic musí být kinetická energie získaná přitažlivostí rozptýlena odporovou silou. Složité objekty při srážce obvykle procházejí nepružnou kolizí , přičemž transformují určitou kinetickou energii na vnitřní energii (tepelný obsah, což je atomový pohyb), která je dále vyzařována ve formě fotonů - světla a tepla. Jakmile se energie unikající z gravitace při srážce rozptýlí, části budou oscilovat v bližší, možná atomové vzdálenosti, takže budou vypadat jako jeden pevný předmět. Tato ztracená energie, nezbytná k překonání potenciální bariéry oddělující objekty, je vazebná energie. Pokud by byla tato vazebná energie v systému zadržena jako teplo, její hmotnost by se nesnížila, zatímco vazebná energie ztracená ze systému jako tepelné záření by sama měla hmotnost. Přímo představuje „hromadný deficit“ chladného, ​​vázaného systému.

Podobně podobné úvahy platí v chemických a jaderných reakcích. Exotermické chemické reakce v uzavřených systémech nemění hmotnost, ale po odstranění reakčního tepla se stávají méně masivními, ačkoli tato změna hmotnosti je příliš malá na to, aby se dala měřit standardním zařízením. V jaderných reakcích je část hmotnosti, kterou lze odstranit jako světlo nebo teplo, tj. Vazebná energie, často mnohem větší část hmotnosti systému. Může být tedy měřen přímo jako hmotnostní rozdíl mezi zbytkovými hmotnostmi reakčních složek a (chlazených) produktů. Důvodem je, že jaderné síly jsou poměrně silnější než Coulombické síly spojené s interakcemi mezi elektrony a protony, které v chemii generují teplo.

Hromadná změna

Masová změna (pokles) ve vázaných systémech, zejména atomových jádrech, byla také označována jako hmotnostní defekt , hmotnostní deficit nebo hmotnostní balící frakce .

Rozdíl mezi vypočítanou hmotností nevázaného systému a experimentálně naměřenou hmotností jádra (změna hmotnosti) se označuje jako Δ m . Lze jej vypočítat následovně:

Změna hmotnosti = (vypočtená hmotnost nevázaného systému) - (naměřená hmotnost systému)
např. (součet hmotností protonů a neutronů) - (měřená hmotnost jádra)

Poté, co dojde k jaderné reakci, která vede k excitovanému jádru, může být energie, která musí být vyzářena nebo jinak odstraněna jako vazebná energie, aby se rozpadla do nevzrušeného stavu, v jedné z několika forem. Může se jednat o elektromagnetické vlny, jako je záření gama ; kinetická energie vyvržené částice, jako je elektron, při vnitřním rozpadu přeměny ; nebo částečně jako klidová hmotnost jedné nebo více emitovaných částic, jako jsou částice beta rozpadu . Žádný hmotnostní deficit se teoreticky nemůže objevit, dokud toto záření nebo tato energie nevyzařuje a již není součástí systému.

Když se nukleony spojí a vytvoří jádro, musí ztratit malé množství hmoty, tj. Dojde ke změně hmotnosti, aby zůstaly vázány. Tato změna hmotnosti musí být uvolněna jako různé druhy energie fotonů nebo jiných částic, jak je uvedeno výše, podle vztahu E = mc 2 . Poté, co byla vazebná energie odstraněna, vazebná energie = změna hmotnosti × c 2 . Tato energie je mírou sil, které drží nukleony pohromadě. Představuje energii, která musí být doplněna z prostředí, aby bylo jádro rozděleno na jednotlivé nukleony.

Atom deuteria má například hmotnostní defekt 0,0023884 amu a jeho vazebná energie se téměř rovná 2,23 MeV. To znamená, že k rozpadu atomu deuteria je zapotřebí 2,23 MeV energie.

Energie vydávaná během jaderné fúze nebo jaderného štěpení je rozdílem vazebných energií „paliva“, tj. Počátečního nuklidu, od energie štěpení nebo produktů fúze. V praxi lze tuto energii také vypočítat z podstatných hmotnostních rozdílů mezi palivem a produkty, která využívá předchozí měření atomových hmotností známých nuklidů, které mají vždy stejnou hmotnost pro každý druh. Tento hmotnostní rozdíl se objeví, jakmile bude odstraněno uvolněné teplo a záření, což je nutné pro měření (klidových) hmot (nevybuzených) nuklidů zapojených do těchto výpočtů.

Viz také

Reference

externí odkazy