Oletko koskaan katsellut palata polttoainetta ja sanonut itsellesi: "Gee, ihmettelen, kuinka paljon energiaa tarvittaisiin sen jakamiseen"? Mahdollisuudet ovat, et vain ole, harvat ihmiset tekevät. Mutta fyysikoille on itse asiassa melko tärkeä kysymys, kuinka paljon energiaa tarvitaan erottamaan jotain sen komponenttiosiksi.
Fysiikan alalla tätä kutsutaan sitovaksi energiaksi tai mekaanisen energian määräksi, joka tarvitaan atomin purkamiseksi erillisiin osiin. Tutkijat käyttävät tätä käsitettä monilla eri tasoilla, joihin kuuluvat atomitaso, ydintason sekä astrofysiikassa ja kemiassa.
Ydinvoimat:
Kuten kuka tahansa muistaa peruskemiansa tai fysiikansa, se varmasti tietää, atomit koostuvat alaatomisista hiukkasista, joita kutsutaan nukleoneiksi. Ne koostuvat positiivisesti varautuneista hiukkasista (protoneista) ja neutraaleista hiukkasista (neutroneista), jotka on järjestetty keskelle (ytimeen). Niitä ympäröivät elektronit, jotka kiertävät ydin, ja ne on järjestetty eri energiatasoille.
Syynä siihen, miksi subatomiset hiukkaset, joilla on perustavanlaatuisesti erilaisia varauksia, voivat esiintyä niin lähellä toisiaan, johtuu voimakkaasta ydinvoimasta - maailmankaikkeuden perustavoimasta, joka mahdollistaa subatomisten hiukkasten houkuttelemisen pienillä etäisyyksillä. Juuri tämä voima vastustaa heijastusvoimaa (tunnetaan nimellä Coulomb Force), joka saa hiukkaset torjumaan toisiaan.
Siksi kaikki yritykset jakaa ydin samaan määrään vapaita sitoutumattomia neutroneja ja protoneja - niin että ne ovat riittävän kaukana / kaukana toisistaan, jotta voimakas ydinvoima ei enää voi aiheuttaa hiukkasten vuorovaikutusta - vaatii tarpeeksi energiaa murtua varten nämä ydinsidokset.
Sitova energia ei siis ole vain energiamäärä, joka tarvitaan vahvojen ydinvoima-sidosten katkaisemiseen, se on myös mitta niiden sidosten lujuudesta, jotka pitävät nukleoneja yhdessä.
Ydinfissio ja fuusio:
Nukleonien erottamiseksi ytimeen on toimitettava energiaa, mikä yleensä saadaan aikaan pommittamalla ydin korkean energian hiukkasilla. Raskaiden atomituumien (kuten uraani- tai plutoniumiatomien) pommittamisen kanssa protoneilla tämä tunnetaan ydinfissiona.
Sitovalla energialla on kuitenkin myös rooli ydinfuusiossa, jossa kevyet ytimet (kuten vetyatomit) ovat sitoutuneet toisiinsa suurienergisissa tiloissa. Jos tuotteiden sitoutumisenergia on suurempi, kun kevyet ytimet sulautuvat tai kun raskaat ytimet jakautuvat, jompikumpi näistä prosesseista johtaa "ylimääräisen" sitoutumisenergian vapautumiseen. Tätä energiaa kutsutaan ydinenergiaksi tai löysästi ydinvoimaksi.
Havaitaan, että minkä tahansa ytimen massa on aina pienempi kuin sitä muodostavien yksittäisten ainesosien nukleonien massojen summa. Massan "menetys", joka johtuu nukleonien jakautumisesta pienemmän ytimen muodostamiseksi tai sulautuessa suuremman ytimen muodostamiseksi, katsotaan myös sitoutumisenergiaksi. Tämä puuttuva massa voi kadota prosessin aikana lämmön tai valon muodossa.
Kun järjestelmä jäähtyy normaaliin lämpötilaan ja palaa energiatilanteessa perustilaan, järjestelmään jää vähemmän massaa. Siinä tapauksessa poistettu lämpö edustaa täsmälleen massan ”alijäämää”, ja lämpö itse säilyttää menetetyn massan (alkuperäisen järjestelmän kannalta). Tämä massa esiintyy missä tahansa muussa järjestelmässä, joka imee lämpöä ja saa lämpöenergiaa.
Sitovan energian tyypit:
Tarkkaan ottaen on olemassa useita erityyppisiä sitovaa energiaa, joka perustuu tiettyyn tutkimusalaan. Hiukkasfysiikan osalta sitova energia tarkoittaa energiaa, jonka atomi saa sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta, ja se on myös energian määrä, joka tarvitaan atomin purkamiseksi vapaiksi nukleoneiksi.
Tapauksessa, jossa elektronit poistetaan atomista, molekyylistä tai ionista, vaadittava energia tunnetaan nimellä "elektronia sitova energia" (alias. Ionisaatiopotentiaali). Yhden protonin tai neutronin sitoutumisenergia ytimessä on yleensä noin miljoona kertaa suurempi kuin atomissa olevan yhden elektronin sitoutumisenergia.
Astrofysiikassa tutkijat käyttävät termiä “gravitaation sitova energia” viitaten energian määrään, joka kuluu vetämällä erilleen (äärettömyyteen) esine, jota pelkästään painovoima pitää yhdessä - ts. Mikä tahansa tähtiesine, kuten tähti, planeetta tai komeetta. Se viittaa myös energian määrään, joka vapautuu (yleensä lämmön muodossa) tällaisen esineen lisääntymisen aikana äärettömyydestä putoavasta materiaalista.
Lopuksi on niin kutsuttu ”sidosenergia”, joka on sidoksen lujuuden mitta kemiallisissa sidoksissa ja joka on myös energian (lämmön) määrä, joka kemiallisen yhdisteen hajottamiseksi sen rakenneosatomeihin tarvittaisiin. Periaatteessa sitova energia on se asia, joka sitoo maailmankaikkeuttamme. Ja kun sen eri osat hajoavat toisistaan, sen suorittamiseen tarvitaan paljon energiaa.
Sitovan energian tutkimuksella on useita sovelluksia, joista vähäisimpiä ovat ydinvoima, sähkön ja kemian valmistus. Ja tulevina vuosina ja vuosikymmeninä se on oleellinen osa ydinfuusion kehitystä!
Olemme kirjoittaneet monia artikkeleita sitovasta energiasta Space Magazine -lehteen. Tässä on mikä on Bohrin atomimalli ?, mikä on John Daltonin atomimalli ?, mikä on luumujen pudotuksen atomimalli ?, mikä on atomimassa? Ja ydinfuusio tähdellä.
Jos haluat lisätietoja sitovasta energiasta, tutustu hyperfysiikkaartikkeliin ydinsidontaenergiasta.
Olemme myös nauhoittaneet koko jakson tähtitiede-näyttelijöistä, jotka käsittelevät kaikkia tärkeitä numeroita maailmankaikkeudessa. Kuuntele tästä, jakso 45: Tärkeät numerot maailmankaikkeudessa.
Lähteet:
- Wikipedia - energiaa sitova
- Hyperfysiikka - ydinsitoutumisenergia
- Euroopan ydinvoimayhdistys - sitovaa energiaa
- Encyclopaedia Britannica - sitova energia
