Har du noen gang tatt en titt på et stykke ved og sa til deg selv: “ja, jeg lurer på hvor mye energi det vil ta å dele den tingen fra hverandre”? Sjansen er, nei, det har du ikke, få mennesker. Men for fysikere er det et ganske viktig spørsmål å spørre hvor mye energi som trengs for å skille noe i komponentene.
På området fysikk er det dette som kalles bindende energi, eller mengden mekanisk energi det vil ta å demontere et atom i dets separate deler. Dette konseptet brukes av forskere på mange forskjellige nivåer, som inkluderer atomnivået, det kjernefysiske nivået og i astrofysikk og kjemi.
Atom Force:
Som alle som husker sin grunnleggende kjemi eller fysikk helt sikkert vet, er atomer sammensatt av subatomære partikler kjent som nukleoner. Disse består av positivt ladede partikler (protoner) og nøytrale partikler (nøytroner) som er anordnet i sentrum (i kjernen). Disse er omgitt av elektroner som går i bane rundt kjernen og er ordnet i forskjellige energinivåer.
Årsaken til at subatomære partikler som har grunnleggende forskjellige ladninger er i stand til å eksistere så nært hverandre, er på grunn av tilstedeværelsen av Strong Nuclear Force - en grunnleggende kraft i universet som gjør at subatomære partikler kan tiltrekkes på korte avstander. Det er denne kraften som motvirker den frastøtende kraften (kjent som Coulomb Force) som får partikler til å frastøte hverandre.
Derfor vil ethvert forsøk på å dele kjernen i samme antall frie ubundne nøytroner og protoner - slik at de er langt / fjernt fra hverandre til at den sterke kjernekraften ikke lenger kan føre til at partiklene samvirker - kreve nok energi til å bryte disse kjernefysiske obligasjonene.
Således er bindende energi ikke bare mengden energi som kreves for å bryte sterke kjernekraftbindinger, det er også et mål på styrken til bindingene som holder nukleonene sammen.
Kjernefysjon og fusjon:
For å skille kjerner må energi tilføres kjernen, som vanligvis oppnås ved å bombardere kjernen med partikler med høy energi. Når det gjelder å bombardere tunge atomkjerner (som uran eller plutoniumatomer) med protoner, er dette kjent som kjernefysjon.
Bindende energi spiller imidlertid også en rolle i kjernefusjon, der lette kjerner sammen (for eksempel hydrogenatomer) er bundet sammen under høye energitilstander. Hvis den bindende energien for produktene er høyere når lette kjerner smelter sammen, eller når tunge kjerner splittes, vil en av disse prosessene føre til frigjøring av den "ekstra" bindende energien. Denne energien omtales som kjernekraft, eller løst som kjernekraft.
Det observeres at massen til en hvilken som helst kjerne alltid er mindre enn summen av massene til de enkelte bestanddeler av nukleoner som utgjør den. "Tap" av masse som resulterer når nukleoner deles for å danne mindre kjerner, eller fusjonere for å danne en større kjerne, tilskrives også en bindende energi. Denne manglende massen kan gå tapt under prosessen i form av varme eller lys.
Når systemet er avkjølt til normale temperaturer og returnerer til bakken tilstand når det gjelder energinivåer, er det mindre masse igjen i systemet. I så fall representerer den fjernede varmen nøyaktig massens “underskudd”, og selve varmen beholder massen som gikk tapt (fra det første systemet). Denne massen vises i ethvert annet system som tar opp varmen og får termisk energi.
Typer bindende energi:
Strengt tatt er det flere forskjellige typer bindende energi, som er basert på det bestemte fagfeltet. Når det gjelder partikkelfysikk, refererer bindingsenergi til energien et atom stammer fra elektromagnetisk interaksjon, og er også mengden energi som kreves for å demontere et atom i frie nukleoner.
Når det gjelder fjerning av elektroner fra et atom, et molekyl eller et ion, er den nødvendige energien kjent som "elektronbindende energi" (også ioniseringspotensial). Generelt er bindingsenergien til et enkelt proton eller nøytron i en kjerne omtrent en million ganger større enn den bindende energien til et enkelt elektron i et atom.
I astrofysikk bruker forskere uttrykket “gravitasjonsbindende energi” for å referere til mengden energi det vil ta å trekke fra hverandre (til uendelig) et objekt som holdes sammen av tyngdekraften alene - dvs. enhver stjernestykke som en stjerne, en planet eller en komet. Den refererer også til mengden energi som frigjøres (vanligvis i form av varme) under akkretisjonen av et slikt objekt fra materiale som faller fra uendelig.
Endelig er det det som er kjent som "bindingsenergi", som er et mål på bindingsstyrken i kjemiske bindinger, og er også mengden energi (varme) det vil ta for å bryte en kjemisk forbindelse ned i dens bestanddeler. I utgangspunktet er bindende energi det som binder universet vårt. Og når forskjellige deler av den er brutt fra hverandre, er det energimengden som trengs for å utføre den.
Studiet av bindende energi har mange bruksområder, ikke minst av kjernekraft, elektrisitet og kjemisk produksjon. Og i de kommende årene og tiårene vil det være iboende i utviklingen av atomfusjon!
Vi har skrevet mange artikler om bindende energi for Space Magazine. Her er Hva er Bohrs atommodell ?, Hva er John Daltons atomenormodell ?, Hva er plommepuddingens atomodell ?, Hva er atommasse?, Og kjernefusjon i stjerner.
Hvis du vil ha mer informasjon om bindende energi, kan du sjekke artikkelen om hyperfysikk om kjernebindende energi.
Vi har også spilt inn en hel episode av Astronomy Cast alt om viktige tall i universet. Hør her, avsnitt 45: De viktige tallene i universet.
kilder:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperfysikk - Kjernebindende energi
- European Nuclear Society - Binding Energy
- Encyclopaedia Britannica - Binding Energy
