Har du någonsin tittat på ett vedträ och sagt till dig själv, "ge, jag undrar hur mycket energi det skulle ta för att dela upp det här?" Chansen är, nej du inte, få människor gör. Men för fysiker är det faktiskt en ganska viktig fråga att fråga hur mycket energi som behövs för att separera något i sina komponentbitar.
Inom fysikområdet är det detta som kallas bindande energi eller mängden mekanisk energi som det skulle ta för att ta isär en atom i dess separata delar. Detta koncept används av forskare på många olika nivåer, som inkluderar atomnivån, kärnkraftsnivån och i astrofysik och kemi.
Kärnkraft:
Som alla som kommer ihåg sin grundläggande kemi eller fysik säkert vet, består atomer av subatomära partiklar som kallas nukleoner. Dessa består av positivt laddade partiklar (protoner) och neutrala partiklar (neutroner) som är anordnade i mitten (i kärnan). Dessa är omgivna av elektroner som kretsar kring kärnan och är arrangerade i olika energinivåer.
Anledningen till att subatomära partiklar som har grundläggande olika laddningar kan existera så nära varandra är på grund av närvaron av stark kärnkraft - en grundkraft i universum som gör att subatomära partiklar kan attraheras på korta avstånd. Det är denna kraft som motverkar den avvisande kraften (känd som Coulomb Force) som får partiklar att avvisa varandra.
Därför kommer varje försök att dela upp kärnan i samma antal fria obundna neutroner och protoner - så att de är tillräckligt långt / långt ifrån varandra för att den starka kärnkraften inte längre kan få partiklarna att interagera - kräver tillräckligt med energi för att bryta dessa kärnkraftsobligationer.
Således är bindande energi inte bara den mängd energi som krävs för att bryta starka kärnkraftsbindningar, det är också ett mått på styrkan hos bindningarna som håller nukleonerna samman.
Kärnklyvning och fusion:
För att separera nukleoner måste energi tillföras kärnan, vilket vanligtvis uppnås genom att bombardera kärnan med partiklar med hög energi. När det gäller att bombardera tunga atomkärnor (som uran eller plutoniumatomer) med protoner, kallas detta kärnklyvning.
Bindande energi spelar emellertid också en roll i kärnfusion, där ljuskärnor tillsammans (som väteatomer) är bundna samman under högenergitillstånd. Om den bindande energin för produkterna är högre när lätta kärnor smälter samman, eller när tunga kärnor delar sig, kommer någon av dessa processer att leda till en frisättning av den "extra" bindande energin. Denna energi kallas kärnenergi, eller löst som kärnkraft.
Det observeras att massan i vilken kärna som helst alltid är mindre än summan av massorna hos de enskilda beståndsdelarnukleoner som utgör den. Massförlusten som resulterar när nukleoner delas upp för att bilda mindre kärnor, eller smälta samman för att bilda en större kärna, tillskrivs också en bindande energi. Denna saknade massa kan gå förlorad under processen i form av värme eller ljus.
När systemet har svalnat till normala temperaturer och återgår till marktillstånd när det gäller energinivåer finns det mindre massa kvar i systemet. I så fall representerar den borttagna värmen exakt massan "underskott", och själva värmen behåller den förlorade massan (ur det inledande systemets synvinkel). Denna massa förekommer i något annat system som absorberar värmen och får värmeenergi.
Typer av bindande energi:
Strängt taget finns det flera olika typer av bindande energi, som är baserad på det specifika studiefältet. När det gäller partikelfysik avser bindande energi den energi som en atom härrör från elektromagnetisk interaktion, och är också den mängd energi som krävs för att ta isär en atom till fria nukleoner.
När det gäller att ta bort elektroner från en atom, en molekyl eller en jon, är den erforderliga energin känd som "elektronbindande energi" (alias joniseringspotential). I allmänhet är bindningsenergin för en enda proton eller neutron i en kärna ungefär en miljon gånger större än bindningsenergin för en enda elektron i en atom.
I astrofysik använder forskare termen "tyngdkraftsbindande energi" för att hänvisa till den mängd energi som det skulle ta för att dra isär (till oändlighet) ett föremål som hålls samman av tyngdkraften ensam - det vill säga alla stjärnobjekt som en stjärna, en planet eller en komet. Den hänvisar också till den mängd energi som frigörs (vanligtvis i form av värme) under anslutningen av ett sådant föremål från material som faller från oändligheten.
Slutligen finns det vad som kallas "bindning" energi, som är ett mått på bindningsstyrkan i kemiska bindningar, och är också den mängd energi (värme) som det skulle ta för att bryta en kemisk förening ned i dess beståndsdelar. I grund och botten är bindande energi det som binder vårt universum tillsammans. Och när olika delar av den bryts isär är det mängden energi som behövs för att utföra den.
Studien av bindande energi har många tillämpningar, inte minst av dem är kärnkraft, elektricitet och kemisk tillverkning. Och under de kommande åren och decennierna kommer det att vara iboende i utvecklingen av kärnfusion!
Vi har skrivit många artiklar om bindande energi för Space Magazine. Här är Vad är Bohrs Atomic Model ?, Vad är John Daltons Atomic Model ?, What is the Plum Pudding Atomic Model ?, What is Atomic Mass ?, and Nuclear Fusion in Stars.
Om du vill ha mer information om bindande energi kan du kolla artikeln Hyperfysik om kärnbindande energi.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast om de viktiga siffrorna i universum. Lyssna här, avsnitt 45: De viktiga siffrorna i universum.
källor:
- Wikipedia - bindande energi
- Hyperfysik - Kärnbindande energi
- European Nuclear Society - Binding Energy
- Encyclopaedia Britannica - Binding Energy
