Har du nogensinde kigget på et stykke brænde og sagt til dig selv: "Gee, jeg spekulerer på, hvor meget energi det ville tage at dele den ting fra hinanden"? Chancerne er, nej du ikke, få mennesker gør det. Men for fysikere er det faktisk et temmelig vigtigt spørgsmål at spørge, hvor meget energi der er nødvendigt for at opdele noget i dets komponentstykker.
Inden for fysikområdet er det, hvad der kaldes bindingsenergi, eller mængden af mekanisk energi, det vil tage for at adskille et atom i dets separate dele. Dette koncept bruges af videnskabsfolk på mange forskellige niveauer, som inkluderer atomniveauet, det nukleare niveau og i astrofysik og kemi.
Kernekraft:
Som enhver der husker deres grundlæggende kemi eller fysik helt sikkert ved, er atomer sammensat af subatomære partikler kendt som nukleoner. Disse består af positivt ladede partikler (protoner) og neutrale partikler (neutroner), der er arrangeret i midten (i kernen). Disse er omgivet af elektroner, der kredser om kernen og er arrangeret i forskellige energiniveauer.
Årsagen til, at subatomære partikler, der har grundlæggende forskellige ladninger, er i stand til at eksistere så tæt sammen, er på grund af tilstedeværelsen af Strong Nuclear Force - en grundlæggende kraft i universet, der gør det muligt at tiltrække subatomiske partikler på korte afstande. Det er denne kraft, der modvirker den frastødende kraft (kendt som Coulomb Force), der får partikler til at afvise hinanden.
Derfor skal ethvert forsøg på at opdele kernen i det samme antal frie ubundne neutroner og protoner - så de er langt / fjernt fra hinanden til at den stærke atomkraft ikke længere kan få partiklerne til at interagere - kræve nok energi til at bryde disse nukleare obligationer.
Således er bindende energi ikke kun den mængde energi, der kræves for at bryde stærke atomkraftbindinger, det er også et mål for styrken af bindingerne, der holder nukleonerne sammen.
Nuklear fission og fusion:
For at adskille nukleoner skal energi tilføres kernen, som normalt opnås ved at bombardere kernen med partikler med høj energi. I tilfælde af bombardering af tunge atomkerner (som uran eller plutoniumatomer) med protoner er dette kendt som nuklear fission.
Bindende energi spiller imidlertid også en rolle i nuklear fusion, hvor lette kerner sammen (såsom brintatomer) er bundet sammen under højenergitilstand. Hvis bindingsenergien for produkterne er højere, når lette kerner smelter sammen, eller når tunge kerner splittes, vil en af disse processer resultere i en frigivelse af den "ekstra" bindende energi. Denne energi kaldes kerneenergi eller løst som kernekraft.
Det observeres, at massen af en hvilken som helst kerne altid er mindre end summen af masserne af de individuelle bestanddelende nukleoner, der udgør den. "Tab" af masse, der resulterer i, når nukleoner opdeles for at danne mindre kerner, eller smelte sammen for at danne en større kerne, tilskrives også en bindende energi. Denne manglende masse kan gå tabt under processen i form af varme eller lys.
Når systemet afkøles til normale temperaturer og vender tilbage til jordtilstande med hensyn til energiniveau, er der mindre masse tilbage i systemet. I dette tilfælde repræsenterer den fjernede varme nøjagtigt massens “underskud”, og selve varmen bevarer den masse, der blev tabt (set fra det oprindelige systems synspunkt). Denne masse vises i ethvert andet system, der absorberer varmen og får termisk energi.
Typer af bindende energi:
Strengt taget er der flere forskellige typer bindende energi, der er baseret på det bestemte studieretning. Når det kommer til partikelfysik, henviser bindingsenergi til den energi, et atom stammer fra elektromagnetisk interaktion, og er også den mængde energi, der kræves for at adskille et atom i frie nukleoner.
I tilfælde af at elektroner fjernes fra et atom, et molekyle eller en ion, kaldes den krævede energi "elektronbindende energi" (også ioniseringspotentiale). Generelt er bindingsenergien for et enkelt proton eller neutron i en kerne ca. en million gange større end bindingsenergien for et enkelt elektron i et atom.
I astrofysik anvender forskere udtrykket "gravitationsbindende energi" for at henvise til den mængde energi, det vil tage at trække (til uendeligt) fra hinanden et objekt, der holdes sammen af tyngdekraften alene - dvs. ethvert stjernet objekt som en stjerne, en planet eller en komet. Det henviser også til mængden af energi, der frigøres (normalt i form af varme) under akkretionen af et sådant objekt fra materiale, der falder ned fra uendelig.
Endelig er der hvad der er kendt som "bindingsenergi", som er et mål for bindingsstyrken i kemiske bindinger, og det er også den mængde energi (varme), det vil tage for at nedbryde en kemisk forbindelse ned i dets bestanddele atomer. Grundlæggende er bindende energi det, der binder vores univers sammen. Og når forskellige dele af det brydes fra hinanden, er det den mængde energi, der er nødvendig for at udføre den.
Undersøgelsen af bindende energi har adskillige anvendelser, ikke mindst af dem er kernekraft, elektricitet og kemisk fremstilling. Og i de kommende år og årtier vil det være iboende i udviklingen af nuklear fusion!
Vi har skrevet mange artikler om bindende energi til Space Magazine. Her er hvad er Bohrs atommodel ?, Hvad er John Daltons atommodel ?, Hvad er plumpudding-atommodellen ?, Hvad er atommassen? Og kernefusion i stjerner.
Hvis du gerne vil have mere information om bindende energi, kan du tjekke artikel Hyperphysics om Kernebindende energi.
Vi har også indspillet en hel episode af Astronomy Cast alt om de vigtige numre i universet. Lyt her, afsnit 45: De vigtige numre i universet.
Kilder:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperfysik - Kernebindende energi
- Det europæiske nukleare samfund - bindende energi
- Encyclopaedia Britannica - Binding Energy
