Vetél már egy darab tűzifát, és azt mondtad magadnak: „Gyere, kíváncsi vagyok, mekkora energiát igényel az a szétválasztás?” Lehet, hogy nem, csak kevés ember teszi meg. A fizikusok számára viszont nagyon fontos kérdés az, hogy mekkora energiára van szükség ahhoz, hogy valamit alkotóelemeire bonthassák.
A fizika területén ez az úgynevezett kötőenergia, vagy az a mechanikai energiamennyiség, amely egy atom külön részeihez történő szétszereléséhez lenne szükséges. Ezt a fogalmat a tudósok sokféle szinten alkalmazzák, beleértve az atomszintet, a nukleáris szintet, valamint az asztrofizikában és a kémiában.
Nukleáris erő:
Mint mindenki, aki jól emlékszik alapvető kémiájára vagy fizikájára, biztosan tudja, az atomok nukleonoknak nevezett szubatomi részecskékből állnak. Ezek pozitív töltésű részecskékből (protonok) és semleges részecskékből (neutronok) állnak, amelyek a központban (a magban) helyezkednek el. Ezeket az atom körül keringő elektronok veszik körül, amelyek különböző energiaszinteken vannak elrendezve.
Az alapvetően eltérő töltésű szubatomos részecskék képesek ilyen közel állni egymáshoz. Az Erős atomerőmű jelenléte miatt - az univerzum egyik alapvető erője, amely lehetővé teszi az alatom atom részecskék vonzását kis távolságra. Ez az erő ellensúlyozza a visszatükröző erőt (az úgynevezett Coulomb-erőt), amely a részecskék visszataszítja egymást.
Ezért minden olyan kísérletre, amely a magot azonos számú szabad kötetlen neutronra és protonra osztja - oly módon, hogy elég messze vannak / távol legyenek egymástól, hogy az erős nukleáris erő többé nem okozhatja a részecskék kölcsönhatását - elegendő energiát igényel a töréshez ezek a nukleáris kötések.
A kötőenergia tehát nem csak az erőteljes nukleáris erőviszonyok megszakításához szükséges energiamennyiség, hanem a nukleonokat egymáshoz tartó kötések erősségének mérője.
Nukleáris hasadás és fúzió:
A nukleonok elkülönítése érdekében energiát kell biztosítani a magba, ami általában úgy történik, hogy a magot nagy energiájú részecskékkel bombázzák.. A nehéz atommagok (például urán- vagy plutónium-atomok) protonokkal történő bombázása esetén ez atommaghasadás.
A kötőenergia ugyanakkor szerepet játszik a magfúzióban is, ahol a könnyű magok (például hidrogénatomok) nagy energiájú állapotokban kapcsolódnak egymáshoz. Ha a termékek kötési energiája nagyobb, amikor a könnyű magok megolvadnak, vagy ha a nehéz magok megosztódnak, akkor ezeknek a folyamatoknak az eredményeként az „extra” kötő energia felszabadul. Ezt az energiát nukleáris energiának vagy lazán nukleáris energiának nevezzük.
Megfigyelték, hogy bármelyik atommag tömege mindig kisebb, mint az azt alkotó egyes alkotóelemek nukleáris tömegeinek összege. A kötődés energiájának tulajdonítják azt a tömegveszteséget is, amely akkor következik be, amikor a nukleonok megoszlanak, hogy kisebb magot képezzenek, vagy összeolvadva nagyobb magvá váljanak. Ez a hiányzó tömeg a folyamat során hő vagy fény formájában elveszhet.
Amint a rendszer lehűl a normál hőmérsékletre, és visszatér az alapállapotba az energiaszint szempontjából, kevesebb tömeg marad fenn a rendszerben. Ebben az esetben az eltávolított hő pontosan a tömeg „hiányát” képviseli, és maga a hő megtartja az elveszített tömeget (az eredeti rendszer szempontjából). Ez a tömeg megjelenik bármely más olyan rendszerben, amely elnyeli a hőt és felveszi a hőenergiát.
A kötőenergia típusai:
Szigorúan véve, többféle típusú kötőenergia létezik, amely az adott tanulmányi területre épül. A részecskefizikáról a kötőenergia arra az energiára vonatkozik, amelyet egy atom elektromágneses kölcsönhatásból származik, és ez az energiamennyiség egy atomnak a szabad nukleonokká történő szétszereléséhez szükséges.
Abban az esetben, ha az atomokból, molekulákból vagy ionokból elektronokat távolítanak el, a szükséges energiát „elektronkötő energia” -nak (más néven ionizációs potenciálnak) nevezzük. Általában az egy proton vagy neutron kötő energiája egy atommagban megközelítőleg egymilliószor nagyobb, mint egy atom egy atomjának kötési energiája.
Az asztrofizikában a tudósok a „gravitációs kötő energia” kifejezést arra az energiamennyiségre utalják, amelyre egy tárgy csak a gravitáció által tartott tárgy elválasztásához (a végtelenségig) lenne szükség - azaz bármilyen csillagtárgy, például csillag, bolygó vagy egy üstökös. Utal arra az energiamennyiségre is, amely felszabadul (általában hő formájában) egy ilyen tárgy akkreditációja során a végtelenségből eső anyagból.
Végül, ott van az úgynevezett „kötés” energia, amely a kémiai kötésekben lévő kötés szilárdságának mértéke, és ugyanakkor az az energiamennyiség (hő) is, amely ahhoz szükséges, hogy egy kémiai vegyületet alkotó atomjaiba bonthassunk. Alapvetően a kötelező energia az, ami összekapcsolja világegyetemünket. És amikor különböző részei szétesnek, az elvégzéséhez szükséges mennyiségű energia szükséges.
A kötőenergia tanulmányozására számos alkalmazás van, nem utolsósorban az atomenergia, a villamos energia és a vegyipar gyártása. És az elkövetkező években és évtizedekben lényeges szerepet játszik a magfúzió fejlesztésében!
Számos cikket írtunk a kötelező energiáról a Space Magazine számára. Itt van mi a Bohr atommodelle?, Mi a John Dalton atommodelle?, Mi az a szilva puding atommodell?, Mi az atomtömeg? És a nukleáris fúzió a csillagokban.
Ha további információt szeretne a kötőenergiáról, olvassa el a nukleáris kötelező energiáról szóló hiperfizikai cikket.
A csillagászat teljes epizódját felvettük az Univerzumban található fontos számokról is. Hallgassa meg itt, 45. rész: A fontos számok az univerzumban.
Forrás:
- Wikipedia - Kötelező energia
- Hiperfizika - nukleáris kötő energia
- Európai Nukleáris Társaság - kötelező energia
- Encyclopaedia Britannica - Kötelező energia
