Енергија везања

С Википедије, слободне енциклопедије

У физици, енергија везивања (која се такође назива и енергија раздвајања) је минимална енергија потребна за растављање система честица у одвојене делове. Ова енергија је једнака масеном дефекту умањеном за количину енергије, или масу, која је ослобађена када је формиран везани систем (који обично има нижу потенцијалну енергију од збира његових саставних делова) и она је то што држи систем на окупу.

Генерална идеја[уреди | уреди извор]

Енергија везивања представља механички рад који се мора обавити против сила које држе предмет заједно, растављајући објект на његове саставне делове на довољну удаљености између њих, тако да даље раздвајање захтева занемарив додатни рад.

У везаним системима, ако се енергија везивања уклони из система, мора се одузети од масе невезаног система, јер та енергија има масу. Према томе, ако се енергија уклања (или емитује) из система у време кад је везана, овај губитак енергије ће такође резултирати губитком масе система.[1] Маса система се не бива очувана у овом процесу, јер је систем „отворен“ (тј. није изоловани систем за унос или губитак масе и енергије) током процеса везивања.

Постоји неколико врста енергије везивања, а свака делује на различитој удаљености и енергетској скали. Што је мања величина везаног система, то је већа његова асоцирана енергија везивања.

Типови енергије везивања[уреди | уреди извор]

Тип Опис Пример Ниво
Атомска енергија везивања Атомска енергија везивања атома настаје из електромагнетске интеракције, посредоване фотонима. То је енергија потребна за растављање атома у слободне електроне и језгро.[2] Атомск ниво
Енергија везе; Енергија дисоцијације везе Енергија везе и енергија дисоцијације везе су мере енергије везивања између атома у хемијској везе. То је енергија неопходна за растављање молекула у његове конституентне атоме. Та се енергија појављује као хемијска енергија, као што је она која се ослобађа у хемијским експлозијама, сагоревању хемијског горива и биолошким процесима. Енергије везе и енергије дисоцијације везе обично су у распону од неколико eV по вези. Енергија дисоцијације везе угљеник-угљеник је око 3,6 eV. Молекуларни ниво
Електрска енергија везивања; Јонизациона енергија Енергија електронског везивања, шире позната као јонизациона енергија,[3] је мера енергије неопходне за ослобађање електрона из њихових атомксих орбитала. Међу хемијским елементима, опсег енергија јонизације је од 3,8939 eV за електрон у спољашњем слоју атома цезијума до 11,567617 keV их најнижег електронског нивоа атома бакра. Атомски ниво
Гравитациона енергија везивања Гравитациона енергија везивања објекта, као што је небеско тело, је енергија неопходна за ширење материјала до бесконачности. Гравитациона енергија везивања објекта, као што је небеско тело, је енергија неопходна за ширење материјала до бесконачности. Ако би тело са масом и радијусом Земље било направљено чисто од водоника-1, тада би гравитациона енергија везивања тог тела била око 0,391658 eV по атому. Ако би тело од водоника-1 имало масу и радијус Сунца, његова гравитациона енергија везивања била би око 1.195,586 еВ по атому. Астрофизички ниво
Нуклеарна енергија везивања Нуклеарна енергија везивања је енергија неопходна за растављање нуклеуса у слободне, невезане неутроне и протоне од којих се оно састоји. То је енергија која је еквивалентна масеном дефекту, разлици између масеног броја нуклеуса и истинске измерене масе.[4][5] Нуклеарна енергија везивања је изведена из нуклеарне силе или резидуалне јаке силе, која је посредована са три типа мезона. Просечна нуклеарна енергија везивања по нуклеусу је у опсегу од 2,22452 MeV за водоник-2 до 8,7945 MeV за никал-62. Нуклеарни ниво
Квантна хромодинамичка енергија везивања Квантна хромодинамичка енергија везивања је енергија којом се везују разни кваркови заједно унутар хадрона. Ова енергија је изведена из јаке интеракције, која је поредована глуонима. Хромодинамичка енергија везивања унутар нуклеона износи приближно 99% масе нуклеона. Хромодинамичка енергија везивања протона је око 928,9 MeV, док је она за неутрон око 927,7 MeV.

Велика енергија везивања између доњих кваркова (280 MeV) узрокује да неке (теоретски очекиване) реакције са ламбда барионима ослободе 138 MeV по догађају.[6]

Квантни ниво

Релација масе и енергије[уреди | уреди извор]

Главни чланци: Једнакост масе и енергије и Маса по теорији специјалног релативитета

Систем у везаном стању је обично на нижем енергетском нивоу од његових невезаних конституената, јер његова маса мора бити мања од укупне масе његових невезаних конституената. За системе са ниским енергијама везивања, та „изгубљена” маса после везивања може бити фракционо мала, док за системе са високом енергијом везивања, недостајућа маса може бити лако мерљива фракција. Ова нестала маса може се изгубити током процеса везивања као енергије у облику топлоте или светлости, при чему уклоњена енергија одговара уклоњеној маси према Ајнштајновој једначину E = mc2. У процесу везивања, састојци система могу ући у виша енергетска стања нуклеуса/атома/молекула задржавајући своју масу, и због тога је потребно да се они уклоне из система пре него што се његова маса може смањити. Једном када се систем охлади на нормалне температуре и врати се у основна стања у погледу нивоа енергије, садржаће мању масу него када се први пут комбиновао и био на високој енергији. Овај губитак топлоте представља „дефицит масе”, а сама топлота задржава изгубљену масу (са становишта иницијалног система). Та маса ће се појавити у било ком другом систему који апсорбује топлоту и добија топлотну енергију.[7]

На пример, ако се два објекта привлаче један другог путем својих гравитационих поља, сила привлачења убрзава објекте, повећавајући њихову брзину, која претвара њихову потенцијалну енергију (гравитацију) у кинетичку енергију. Када честице или прођу једна кроз другу без интеракције или се еластично одбију при судара, стечена кинетичка енергија (повезана са брзином) почиње да се враћа у потенцијалну енергију, раздвајајући сударене честице. Успоравајуће честице ће се вратити на почетну удаљеност и даље у бесконачност, или ће се зауставити и поновити судар (долази до осцилација). То показује да систем, који не губи енергију, не комбинује се (везује) у чврсти објект, чији делови осцилирају на кратким растојањима. Стога, да би се честице везале, кинетичка енергија стечена привлачењем мора се дисипирати одбојном силом. Сложени предмети у колизији обично подлежу нееластичном судару, претварајући део кинетичке енергије у унутрашњу енергију (садржај топлоте, који је атомско кретање), а који се даље зрачи у облику фотона - светлости и топлоте. Једном када се енергија за надвладавање гравитације распрши током судара, делови осцилују на ближој, углавном атомској удаљености, што им даје изглед чврстог предмета. Та изгубљена енергија, неопходна за превазилажење потенцијалне баријере за раздвајање објеката, јесте енергија везивања. Ако би се та енергија везивања задржала у систему као топлота, његова маса се не би смањивала, док би енергија везивања изгубљена из система као топлота зрачења сама имала масу. То директно представља „дефицит масе” хладног, везаног система.

Блиско аналогна разматрања примењују се у хемијским и нуклеарним реакцијама. Егзотермне хемијске реакције у затвореним системима не мењају масу, али систем постаје мање масиван када се уклони топлота реакције, мада је та промена масе премала да би се мерила стандардном опремом. У нуклеарним реакцијама, део масе који се може уклонити као светлост или топлота, тј. енергија везивања је често много већи део системске масе. То се стога може директно мерити као разлика масе између масе мировања реактаната и (охлађених) производа. То је зато што су нуклеарне силе релативно јаче од Кулонских сила повезаних са интеракцијама између електрона и протона који у хемији стварају топлоту.

Промена масе[уреди | уреди извор]

Промена (смањење) масе у везаним системима, посебно атомским језграма, такође се назива дефекат масе. Разлика између израчунате масе невезаног система и експериментално измерене масе нуклеуса (промена масе) означава се са Δm. Она се може израчунати на следећи начин:

Промена масе = (израчуната невезана маса система) - (измерена маса система)
и.е. (збир маса протона и неутрона) - (измерена маса нуклеуса)

Након нуклеарне реакције која резултира побуђеним језгром, енергија која мора бити ослобођена зрачењем или на други начин уклоњена као енергија везивања да би дошло до прелаза у непобуђено стање, може бити у једном од неколико облика. То могу бити електромагнетни таласи, попут гама зрачења; кинетичка енергија избачених честица, као што је електрон, при унутрашњем конверзионом распаду; или делимично као остатак масе једне или више емитованих честица, као што су честице бета распада. Теоријски се дефицит не може појавити све док ово зрачење или ова енергија не буде емитована и више није део система.

Када се нуклеони вежу заједно да формирају језгро, они морају изгубити малу количину масе, и.е. долази до промене масе да би остали везани. Ова промена масе мора бити ослобођена као различите врсте фотона или друге енергије честица као што је горе описано, у складу са односом E = mc2. Дакле, након везивања се уклања енергије везивања, енергија везивања = промена масе × ц2. Ова енергија је мерило сила које држе нуклеон заједно. Она представља енергију која се мора поново довести из околине да би се језгро разградило у појединачне нуклеоне.

На пример, атом деутеријума има масу дефекта од 0,0023884 аму, а његова енергија везивања је 2,23 МеВ. То значи да је за дезинтеграцију атома деутеријума потребно 2,23 MeV енергије.[8]

Енергија која се емитује током нуклеарне фузије или нуклеарне фисије је разлика енергије везивања „горива”, и.е. почетних нуклида и енергије фисионих или фузионих проуката. У пракси се та енергија може израчунати и из значајних разлика у маси између горива и производа, при чему се користе претходна мерења атомске масе познатих нуклида, који увек имају исту масу за сваку врсту. Ова разлика у маси појављује се након уклањања ослобођене топлоте и зрачења, што је потребно за мерење маса (мировања) (непобуђених) нуклида укључених у такве прорачуне.

Види још[уреди | уреди извор]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ ХyперПхyсицс - "Нуцлеар Биндинг Енергy". C.Р. Наве, Георгиа Стате Университy. Аццессед Септембер 7, 2010.
  2. ^ „Нуцлеар Поwер Биндинг Енергy”. Приступљено 16. 5. 2015. 
  3. ^ ИУПАЦ. „Ионизатион енергy”. Компендијум хемијске терминологије (Интернет издање).
  4. ^ Боданскy, Давид (2005). Нуцлеар Енергy: Принциплес, Працтицес, анд Проспецтс (2нд изд.). Неw Yорк: Спрингер Сциенце + Бусинесс Медиа, ЛЛЦ. стр. 625. ИСБН 9780387269313. 
  5. ^ Wонг, Самуел С.M. (2004). Интродуцторy нуцлеар пхyсицс (2нд изд.). Wеинхеим: Wилеy-ВЦХ. стр. 9–10. ИСБН 9783527617913. 
  6. ^ Карлинер, Марек, анд Јонатхан L. Роснер. "Qуарк-левел аналогуе оф нуцлеар фусион wитх доублy хеавy барyонс." Натуре 551.7678 (2017): 89.
  7. ^ Е. Ф. Таyлор анд Ј. А. Wхеелер, Спацетиме Пхyсицс, W.Х. Фрееман анд Цо., НY. 1992. ISBN 0-7167-2327-1, сее пп. 248-9 фор дисцуссион оф масс ремаининг цонстант афтер детонатион оф нуцлеар бомбс унтил хеат ис аллоwед то есцапе.
  8. ^ „Биндинг енергy оф нуцлеус анд нуцлеонс”. Архивирано из оригинала 10. 04. 2020. г. Приступљено 01. 08. 2019. 

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]

Енергија везања на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Energija_vezanja&oldid=27679762”