Связующая энергия - Binding energy
 | Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. (Октябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
По физике и химии, энергия связи это наименьшее количество энергия требуется для удаления частицы из системы частиц или для разборки системы частиц на отдельные части.[1] В первом значении термин преимущественно используется в физике конденсированного состояния, атомной физике и химии, тогда как в ядерной физике термин энергия разделения используется.
Связанная система обычно находится на более низком уровне энергии, чем ее несвязанные составляющие. Согласно теории относительности, ΔE уменьшение полной энергии системы сопровождается уменьшением ΔM в полной массе, где ΔM⋅c2= ΔE.[2]
Типы энергии связи
Существует несколько типов энергии связи, каждый из которых действует на разном расстоянии и в разном масштабе энергии. Чем меньше размер связанной системы, тем выше связанная с ней энергия связи.
| Тип | Описание | Пример | Уровень |
|---|---|---|---|
| Энергия связи электронов; Энергия ионизации | Энергия связи электрона, более известный как энергия ионизации,[3] является мерой энергии, необходимой для освобождения электрона от его атомная орбиталь или из твердого. Энергия связи электронов определяется электромагнитное взаимодействие электрона с ядро а другие электроны атом, молекула или твердое тело и опосредуется фотоны. | Среди химических элементов, диапазон энергий ионизации составляет от 3,8939 эВ для крайнего электрона в атоме цезий до 11,567617 кэВ для самого внутреннего электрона в атоме медь. | Атомный уровень |
| Атомная энергия связи | В энергия связи атома атома энергия требуется, чтобы разобрать атом на свободные электроны и ядро.[4] Это сумма энергий ионизации всех электронов, принадлежащих определенному атому. Энергия связи атома происходит от электромагнитное взаимодействие электронов с ядром, при посредничестве фотоны. | Для атома гелий, с 2 электронами, энергия связи атома является суммой энергии первая ионизация (24,587 эВ) и энергия вторая ионизация (54,418 эВ), всего 79,005 эВ. | Атомный уровень |
| Связанная энергия; Связь-диссоциация Энергия | Связанная энергия и энергия диссоциации связи являются мерой энергии связи между атомы в химическая связь. Это энергия, необходимая для разборки молекула на составляющие его атомы. Эта энергия выглядит как химическая энергия, например, выпущенный в химические взрывы, горение химических топливо и биологический процессы. Энергии связи и энергии диссоциации связи обычно находятся в диапазоне нескольких эВ на связь. | Энергия диссоциации связи углерод-углеродная связь составляет около 3,6 эВ. | Молекулярный уровень |
| Ядерная связывающая энергия | Энергия связи ядра энергия, необходимая для разборки ядро в свободный, свободный нейтроны и протоны он состоит из. Это энергетический эквивалент массовый дефект, разница между массовое число ядра и его измеренной массы.[5][6] Энергия связи ядра происходит от ядерная сила или остаточная сильная сила, которая опосредуется тремя типами мезоны. | Средняя энергия связи ядра на нуклон составляет от 2,22452 МэВ для водород-2 до 8,7945 МэВ для никель-62. | Ядерный уровень |
| Энергия связи квантовой хромодинамики | Энергия связи квантовой хромодинамики это энергия, которая связывает различные кварки вместе внутри адрон. Эта энергия происходит от сильное взаимодействие, который опосредуется глюоны. | Хромодинамическая энергия связи внутри нуклон составляет примерно 99% массы нуклона. Хромодинамическая энергия связи протона составляет около 928,9 МэВ, а у нейтрона - около 927,7 МэВ. Большая энергия связи между нижними кварками (280 МэВ) вызывает некоторые (теоретически ожидаемые) реакции с лямбда-барионы к релиз 138 МэВ на событие.[7] | Элементарный уровень частиц |
| Гравитационная энергия связи | В гравитационная энергия связи объекта, такого как небесное тело, - энергия, необходимая для расширения материала до бесконечности. | Если тело массой и радиусом земной шар были сделаны исключительно из водород-1, то гравитационная энергия связи этого тела будет примерно 0,391658 эВ на атом. Если бы тело из водорода-1 имело массу и радиус солнце, его гравитационная энергия связи будет около 1195,586 эВ на атом. | Астрофизический уровень |
Соотношение масса – энергия
Связанная система обычно находится на более низком уровне энергии, чем ее несвязанные составляющие, потому что ее масса должна быть меньше общей массы ее несвязанных составляющих. Для систем с низкими энергиями связи эта «потерянная» масса после связывания может быть незначительно малой, тогда как для систем с высокими энергиями связи недостающая масса может быть легко измеримой долей. Эта недостающая масса может быть потеряна в процессе связывания в виде энергии в форме тепла или света, причем удаленная энергия соответствует удаленной массе через уравнение Эйнштейна. E = mc2. В процессе связывания компоненты системы могут переходить в более высокие энергетические состояния ядра / атома / молекулы, сохраняя при этом свою массу, и из-за этого необходимо, чтобы они были удалены из системы, прежде чем ее масса может уменьшиться. Как только система остынет до нормальных температур и вернется в основное состояние относительно уровней энергии, она будет содержать меньшую массу, чем когда она впервые была объединена и имела высокую энергию. Эта потеря тепла представляет собой «дефицит массы», а само тепло сохраняет потерянную массу (с точки зрения исходной системы). Эта масса появится в любой другой системе, которая поглощает тепло и получает тепловую энергию.[8]
Например, если два объекта притягивают друг друга в пространстве через свои гравитационное поле, сила притяжения ускоряет объекты, увеличивая их скорость, что превращает их потенциальную энергию (гравитацию) в кинетическую. Когда частицы либо проходят сквозь друг друга без взаимодействия, либо упруго отталкиваются во время столкновения, полученная кинетическая энергия (связанная со скоростью) начинает превращаться в потенциальную энергию, разгоняя столкнувшиеся частицы. Замедляющиеся частицы вернутся на исходное расстояние и дальше в бесконечность или остановятся и повторит столкновение (имеет место колебание). Это показывает, что система, не теряющая энергии, не объединяется (связывается) в твердый объект, части которого колеблются на коротких расстояниях. Следовательно, чтобы связать частицы, кинетическая энергия, полученная за счет притяжения, должна рассеиваться за счет силы сопротивления. Сложные объекты при столкновении обычно подвергаются неупругое столкновение, преобразовывая некоторую кинетическую энергию во внутреннюю энергию (теплосодержание, которое представляет собой движение атома), которая далее излучается в виде фотонов - света и тепла. Как только энергия, уходящая от гравитации, рассеивается при столкновении, части будут колебаться на более близком, возможно атомном, расстоянии, таким образом, выглядя как один твердый объект. Эта потерянная энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера для разделения объектов, и есть энергия связи. Если бы эта энергия связи сохранялась в системе в виде тепла, ее масса не уменьшалась бы, тогда как энергия связи, теряемая системой в виде теплового излучения, сама имела бы массу. Он прямо представляет «дефицит массы» холодной связанной системы.
Близко аналогичные соображения применимы к химическим и ядерным реакциям. Экзотермические химические реакции в закрытых системах не изменяют массу, но становятся менее массивными после удаления теплоты реакции, хотя это изменение массы слишком мало для измерения с помощью стандартного оборудования. В ядерные реакции, часть массы, которая может быть удалена в виде света или тепла, то есть энергия связи, часто составляет гораздо большую часть массы системы. Таким образом, его можно измерить непосредственно как разность масс между массы покоя реагентов и (охлажденных) продуктов. Это потому, что ядерные силы сравнительно сильнее кулоновских сил, связанных с взаимодействиями между электронами и протонами, которые выделяют тепло в химии.
Массовое изменение
Изменение (уменьшение) массы связанных систем, особенно атомных ядер, также называют массовый дефект, массовый дефицит, или масса фракция упаковки.[нужна цитата ]
Разница между расчетной массой несвязанной системы и экспериментально измеренной массой ядра (изменение массы) обозначается как Δм. Его можно рассчитать следующим образом:
- Изменение массы = (расчетная масса несвязанной системы) - (измеренная масса системы)
- например (сумма масс протонов и нейтронов) - (измеренная масса ядра)
После ядерной реакции, приводящей к возбуждению ядра, энергия, которая должна быть излученный или иным образом удаленная в качестве энергии связи для распада в невозбужденное состояние может быть в одной из нескольких форм. Это могут быть электромагнитные волны, например гамма-излучение; кинетическая энергия выброшенной частицы, такой как электрон, в внутренняя конверсия разлагаться; или частично как масса покоя одной или нескольких испускаемых частиц, таких как частицы бета-распад. Теоретически не может возникнуть дефицита массы, пока это излучение или эта энергия не будет испущена и больше не будет частью системы.
Когда нуклоны соединяются вместе, образуя ядро, они должны потерять небольшое количество массы, то есть происходит изменение массы, чтобы оставаться связанными. Это изменение массы должно высвобождаться в виде различных типов энергии фотонов или другой частицы, как указано выше, в соответствии с соотношением E = mc2. Таким образом, после снятия энергии связи энергия связи = изменение массы × c2. Эта энергия является мерой сил, удерживающих нуклоны вместе. Он представляет собой энергию, которая должна быть пополнена из окружающей среды, чтобы ядро было разбито на отдельные нуклоны.
Например, атом дейтерий имеет дефект массы 0,0023884 а.е.м., а его энергия связи почти равна 2,23 МэВ. Это означает, что для распада атома дейтерия требуется 2,23 МэВ энергии.
Энергия, выделяемая во время любого термоядерная реакция или же ядерное деление представляет собой разность энергий связи «топлива», то есть исходного нуклида (ов), от энергии связи продуктов деления или синтеза. На практике эта энергия также может быть рассчитана на основе существенной разницы в массе топлива и продуктов с использованием предыдущих измерений атомные массы известных нуклидов, которые всегда имеют одинаковую массу для каждого вида. Эта разница масс появляется после удаления выделяющегося тепла и излучения, что требуется для измерения (остальных) масс (невозбужденных) нуклидов, участвующих в таких расчетах.
Смотрите также
- Связанная энергия и энергия диссоциации связи
- Гравитационная энергия связи
- Энергия ионизации (энергия связи одного электрона)
- Энергия связи ядра
- Энергия связи квантовой хромодинамики
- Полуэмпирическая формула массы
- Энергия разделения (энергия связи одного нуклона)
- Вириальная масса
- Гипотеза Праута, ранняя модель атома, которая не учитывала массовый дефект
Рекомендации
- ^ Рольф, Джеймс Уильям (1994). Современная физика от α до Z °. Джон Вили и сыновья. п. 20. ISBN 0471572705.
- ^ Айсберг, Роберт; Резник, Роберт (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 524. ISBN 047187373X.
- ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Энергия ионизации ". Дои:10.1351 / goldbook.I03199
- ^ «Связующая энергия». Атомная энергия. Получено 16 мая 2015.
- ^ Боданский, Дэвид (2005). Ядерная энергия: принципы, практика и перспективы (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, LLC. п. 625. ISBN 9780387269313.
- ^ Вонг, Сэмюэл С. (2004). Введение в ядерную физику (2-е изд.). Вайнхайм: Вайли-ВЧ. стр.9 –10. ISBN 9783527617913.
- ^ Карлинер, Марек и Джонатан Л. Рознер. «Кварковый аналог ядерного синтеза с дважды тяжелыми барионами». Nature 551.7678 (2017): 89.
- ^ Э. Ф. Тейлор и Дж. А. Уиллер, Физика пространства-времени, W.H. Фримен и Ко, штат Нью-Йорк. 1992 г. ISBN 0-7167-2327-1см. стр. 248-9, где обсуждается вопрос о том, что масса остается постоянной после взрыва ядерных бомб до тех пор, пока тепло не уйдет.