Už jste se někdy podívali na kus palivového dříví a řekli jste si: „Páni, zajímalo by mě, kolik energie by to trvalo, než by se ta věc rozdělila“? Šance jsou, že ne, málo lidí ano. Ale pro fyziky je otázka, kolik energie je potřeba, aby se něco rozdělilo na jednotlivé součásti, ve skutečnosti docela důležitá otázka.
V oblasti fyziky se jedná o tzv. Vazebnou energii nebo o množství mechanické energie, kterou by rozebral atom do svých samostatných částí. Tento koncept používají vědci na mnoha různých úrovních, včetně atomové, jaderné a astrofyziky a chemie.
Jaderná síla:
Jak každý, kdo si pamatuje jejich základní chemii nebo fyziku, jistě ví, atomy jsou složeny ze subatomových částic známých jako nukleony. Skládají se z pozitivně nabitých částic (protonů) a neutrálních částic (neutronů), které jsou uspořádány ve středu (v jádru). Jsou obklopeny elektrony, které obíhají kolem jádra a jsou uspořádány v různých energetických úrovních.
Důvod, proč subatomické částice, které mají zásadně odlišné náboje, jsou schopny existovat tak blízko u sebe, je kvůli přítomnosti Silné jaderné síly - základní síly vesmíru, která umožňuje přitahování subatomových částic na krátké vzdálenosti. Právě tato síla působí proti odpudivé síle (známé jako Coulombova síla), která způsobuje vzájemné odpuzování částic.
Proto jakýkoli pokus o rozdělení jádra na stejný počet volných nevázaných neutronů a protonů - takže jsou dostatečně daleko od sebe, aby silná jaderná síla již nemohla způsobit interakci částic - bude vyžadovat dostatek energie k rozbití tyto jaderné vazby.
Vazebná energie tedy není jen množství energie potřebné k přerušení silných vazeb jaderné síly, je to také míra síly vazeb, které drží nukleony pohromadě.
Jaderné štěpení a fúze:
Aby se oddělily nukleony, musí být energie dodána do jádra, což je obvykle dosaženo bombardováním jádra vysokými energetickými částicemi. V případě bombardování těžkých atomových jader (jako jsou atomy uranu nebo plutonia) protony se to nazývá jaderné štěpení.
Vazebná energie však také hraje roli v jaderné fúzi, kde lehká jádra společně (jako jsou atomy vodíku) jsou spolu vázána za stavů vysoké energie. Pokud je vazebná energie pro produkty vyšší, když se fúzují lehká jádra nebo když se štěpí těžká jádra, jeden z těchto procesů povede k uvolnění „extra“ vazebné energie. Tato energie se označuje jako jaderná energie nebo volně jako jaderná energie.
Je pozorováno, že hmotnost jakéhokoli jádra je vždy menší než součet hmotností jednotlivých nukleonů, které jej tvoří. „Ztráta“ hmoty, která nastane, když se nukleony rozdělí na menší jádro nebo se sloučí do většího jádra, se také připisuje vazebné energii. Tato chybějící hmota může být během procesu ztracena ve formě tepla nebo světla.
Jakmile se systém ochladí na normální teploty a vrátí se do stavu země z hlediska energetických hladin, zbývá v systému méně hmoty. V takovém případě představuje odebrané teplo přesně hmotnostní „deficit“ a samotné teplo si zachovává ztrátu hmoty (z pohledu počátečního systému). Tato hmota se objevuje v jakémkoli jiném systému, který pohlcuje teplo a získává tepelnou energii.
Druhy vazebné energie:
Přísně vzato, existuje několik různých typů vazebné energie, která je založena na konkrétním studijním oboru. Pokud jde o fyziku částic, vazebná energie se vztahuje na energii, kterou atom pochází z elektromagnetické interakce, a je také množství energie potřebné k rozebrání atomu na volné nukleony.
V případě odstranění elektronů z atomu, molekuly nebo iontu je požadovaná energie známa jako „energie vázající elektrony“ (aka. Ionization potenciál). Obecně je vazebná energie jednoho protonu nebo neutronu v jádru přibližně miliónkrát větší než vazebná energie jediného elektronu v atomu.
V astrofyzice vědci používají termín „gravitační vazebná energie“ k označení množství energie, které by bylo zapotřebí k rozebrání (nekonečnu) objektu, který je držen pohromadě samotnou gravitací - tj. Jakýkoli hvězdný objekt, jako je hvězda, planeta nebo kometa. To také se odkazuje na množství energie, která je uvolňována (obvykle ve formě tepla) během shlukování takového předmětu z materiálu padajícího z nekonečna.
Nakonec existuje tzv. „Vazební“ energie, která je měřítkem síly vazby v chemických vazbách, a je také množstvím energie (tepla), kterou by rozbila chemickou sloučeninu na atomy jejích složek. V zásadě je vazebná energie to pravé, co spojuje náš vesmír dohromady. A když se různé části rozdělí, je to množství energie potřebné k jeho provedení.
Studie vazebné energie má řadu aplikací, v neposlední řadě je to výroba jaderné energie, elektřiny a chemie. A v nadcházejících letech a desetiletích to bude přirozené ve vývoji jaderné fúze!
Napsali jsme mnoho článků o vazebné energii pro časopis Space Space. Zde je Co je Bohrův atomový model ?, Co je atomový model Johna Daltona ?, Co je atomový model slivového pudinku ?, Co je atomová hmota? A jaderná fúze ve hvězdách.
Pokud byste chtěli získat více informací o vazebné energii, podívejte se na článek Hyperphysics o jaderné vazebné energii.
Zaznamenali jsme také celou epizodu obsazení astronomie Obsazení o důležitých číslech ve vesmíru. Poslouchejte zde, epizoda 45: Důležitá čísla ve vesmíru.
Zdroje:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperphysics - Nuclear Binding Energy
- Evropská jaderná společnost - vazebná energie
- Encyklopedie Britannica - Binding Energy
