Te-ai uitat vreodată la o bucată de lemne de foc și ți-ai spus: „măi, mă întreb cât de multă energie ar fi nevoie pentru a împărți acest lucru”? Șansele sunt, nu, nu ai, puține persoane o fac. Dar pentru fizicieni, a cere câtă energie este necesară pentru a separa ceva în piesele sale componente este de fapt o întrebare destul de importantă.
În domeniul fizicii, aceasta este ceea ce este cunoscut sub numele de energie de legare sau cantitatea de energie mecanică necesară pentru a dezasambla un atom în părțile sale separate. Acest concept este folosit de oamenii de știință pe mai multe niveluri diferite, care include nivelul atomic, nivelul nuclear și în astrofizică și chimie.
Forța nucleară:
După cum știe cu siguranță oricine își amintește chimia de bază sau fizica, atomii sunt compuși din particule subatomice cunoscute sub numele de nucleoni. Acestea constau din particule încărcate pozitiv (protoni) și particule neutre (neutroni) care sunt dispuse în centru (în nucleu). Acestea sunt înconjurate de electroni care orbitează nucleul și sunt dispuse în diferite niveluri de energie.
Motivul pentru care particulele subatomice care au sarcini fundamental diferite pot să existe atât de strâns, este din cauza prezenței Forței Nucleare puternice - o forță fundamentală a universului care permite atragerea particulelor subatomice la distanțe scurte. Această forță este cea care contracarează forța respulsivă (cunoscută sub numele de Forța Coulomb) care determină repulsia particulelor.
Prin urmare, orice încercare de a diviza nucleul în același număr de neutroni și protoni liberi - astfel încât aceștia sunt suficient de departe / distanța unul de celălalt încât forța nucleară puternică nu mai poate determina particulele să interacționeze - va necesita suficientă energie pentru a se rupe aceste legături nucleare.
Astfel, energia de legare nu este numai cantitatea de energie necesară pentru a rupe legăturile puternice ale forței nucleare, ci este și o măsură a rezistenței legăturilor care dețin nucleonii împreună.
Fisiunea nucleară și fuziunea:
Pentru a separa nucleonii, energia trebuie furnizată nucleului, care se realizează de obicei prin bombardarea nucleului cu particule de mare energie. În cazul bombardării nucleelor atomice grele (precum atomii de uraniu sau plutoniu) cu protoni, aceasta este cunoscută sub numele de fisiune nucleară.
Cu toate acestea, energia de legare joacă, de asemenea, un rol în fuziunea nucleară, unde nucleele ușoare împreună (cum ar fi atomii de hidrogen), sunt legate între ele în condiții de energie mare. Dacă energia de legare pentru produse este mai mare atunci când nucleele ușoare fuzionează sau când nucleele grele se împart, oricare dintre aceste procese va duce la o eliberare a energiei de legare „în plus”. Această energie este denumită energie nucleară sau, mai puțin, energie nucleară.
Se observă că masa oricărui nucleu este întotdeauna mai mică decât suma maselor nucleonilor constituenti individuali care o compun. „Pierderea” de masă care rezultă când nucleonii sunt împărțiți pentru a forma un nucleu mai mic sau se contopesc pentru a forma un nucleu mai mare, este de asemenea atribuită unei energii de legare. Această masă lipsă poate fi pierdută în timpul procesului sub formă de căldură sau lumină.
Odată ce sistemul se răcește la temperaturi normale și revine la stările de la sol din punct de vedere al nivelului de energie, rămâne mai puțină masă în sistem. În acest caz, căldura eliminată reprezintă exact „deficitul” de masă, iar căldura în sine păstrează masa care a fost pierdută (din punctul de vedere al sistemului inițial). Această masă apare în orice alt sistem care absoarbe căldura și câștigă energie termică.
Tipuri de energie de legare:
În mod strict, există mai multe tipuri diferite de energie de legare, care se bazează pe domeniul particular de studiu. Când vine vorba de fizica particulelor, energia de legare se referă la energia pe care un atom o derivă din interacțiunea electromagnetică și este, de asemenea, cantitatea de energie necesară pentru a dezasambla un atom în nucleoni liberi.
În cazul eliminării electronilor dintr-un atom, o moleculă sau un ion, energia necesară este cunoscută sub numele de „energie de legare a electronilor” (de asemenea, potențial de ionizare). În general, energia de legare a unui singur proton sau neutron într-un nucleu este de aproximativ un milion de ori mai mare decât energia de legare a unui singur electron într-un atom.
În astrofizică, oamenii de știință folosesc termenul „energie gravitațională de legare” pentru a face referire la cantitatea de energie necesară pentru a separa (până la infinit) un obiect ținut împreună doar de gravitație - adică orice obiect stelar precum o stea, o planetă sau o cometă. Se referă, de asemenea, la cantitatea de energie care este eliberată (de obicei sub formă de căldură) în timpul acreției unui astfel de obiect din material care cade din infinit.
În cele din urmă, există ceea ce este cunoscută sub denumirea de energie „legătură”, care este o măsură a rezistenței legăturii în legăturile chimice și este, de asemenea, cantitatea de energie (căldură) necesară pentru a descompune un compus chimic în atomii săi. Practic, energia obligatorie este chiar ceea ce leagă Universul nostru împreună. Și când diverse părți ale acestuia sunt despartite, este cantitatea de energie necesară pentru realizarea acesteia.
Studiul energiei de legare are numeroase aplicații, nu cel mai puțin dintre acestea fiind energia nucleară, electricitatea și fabricația chimică. Și în următorii ani și decenii, va fi intrinsec în dezvoltarea fuziunii nucleare!
Am scris multe articole despre energia obligatorie pentru Space Magazine. Iată ce este modelul atomic al lui Bohr? Care este modelul atomic al lui John Dalton? Care este modelul atomic din budinca de prune? Ce este masa atomică? Și fuziunea nucleară în stele.
Dacă doriți mai multe informații despre energia de legare, consultați articolul despre Hyperphysics despre energia nucleară de legare.
Am înregistrat, de asemenea, un întreg episod al distribuției de astronomie despre numerele importante din Univers. Ascultă aici, episodul 45: Numerele importante din univers.
surse:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hiperfizica - Energie nucleară de legare
- European Nuclear Society - Energy Binding
- Encyclopaedia Britannica - energia de legare
