Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике и химии энергия связи - это наименьшее количество энергии, необходимое для удаления частицы из системы частиц или для разборки системы частиц на отдельные части. [1] В первом значении этот термин преимущественно используется в физике конденсированного состояния, атомной физике и химии, тогда как в ядерной физике используется термин энергия разделения .

Связанная система обычно находится на более низком уровне энергии, чем ее несвязанные составляющие. Согласно теории относительности, A Δ Е уменьшение общей энергии системы сопровождается уменьшением Δ M в общей массе, где Δ M⋅c 2 = Д Е . [2]

Типы энергии связи [ править ]

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.

ТипОписаниеПримерУровень
Энергия связи электронов; Энергия ионизацииЭнергия связи электрона , более известный как ионизационной энергии , [3] является мерой энергии , необходимой для освобождения электрона от его атомной орбитали или из твердого вещества. Энергия связи электрона возникает в результате электромагнитного взаимодействия электрона с ядром и другими электронами атома , молекулы или твердого тела и опосредуется фотонами .Среди химических элементов диапазон энергий ионизации составляет от 3,8939 эВ для самого дальнего электрона в атоме цезия до 11,567617 кэВ для самого внутреннего электрона в атоме меди .Атомный уровень
Энергия связи атомаЭнергия связи атомов атома является энергия требуется , чтобы разобрать атом в свободные электроны и ядра. [4] Это сумма энергий ионизации всех электронов, принадлежащих определенному атому. Энергия связи атома возникает в результате электромагнитного взаимодействия электронов с ядром, опосредованного фотонами .Для атома гелия с 2 электронами энергия связи атома является суммой энергии первой ионизации (24,587 эВ) и энергии второй ионизации (54,418 эВ), всего 79,005 эВ.Атомный уровень
Связанная энергия; Связь-диссоциация ЭнергияЭнергия связи и энергия связи-диссоциации являются мерой энергии связи между атомами в химической связи . Это энергия, необходимая для разборки молекулы на составляющие ее атомы. Эта энергия проявляется как химическая энергия , например, выделяющаяся при химических взрывах , горении химического топлива и биологических процессах. Энергии связи и энергии диссоциации связи обычно находятся в диапазоне нескольких эВ на связь.Энергия диссоциации связи углерод-углерод составляет около 3,6 эВ.Молекулярный уровень
Ядерная связывающая энергияЭнергия связи ядра - это энергия, необходимая для разборки ядра на свободные, несвязанные нейтроны и протоны, из которых оно состоит. Это энергетический эквивалент дефекта массы , разницы между массовым числом ядра и его измеренной массой. [5] [6] Ядерная энергия связи происходит от ядерной силы или остаточной сильной силы, которая передается через три типа мезонов .Средняя энергия связи ядра на нуклон колеблется от 2,22452 МэВ для водорода-2 до 8,7945 МэВ для никеля-62 .Ядерный уровень
Энергия связи квантовой хромодинамикиЭнергия связи квантовой хромодинамики - это энергия, которая связывает различные кварки внутри адрона . Эта энергия возникает из-за сильного взаимодействия , которое опосредуется глюонами .Хромодинамическая энергия связи внутри нуклона 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-барионами с выделением 138 МэВ за событие. [7]

Элементарный уровень частиц
Гравитационная энергия связиГравитационная энергия связи объекта, такие как небесное тело , является энергией , необходимой для расширения материала до бесконечности.Если бы тело с массой и радиусом Земли было сделано исключительно из водорода-1 , то гравитационная энергия связи этого тела была бы около 0,391658 эВ на атом. Если бы тело из водорода-1 имело массу и радиус Солнца , его гравитационная энергия связи была бы около 1195,586 эВ на атом.Астрофизический уровень

Соотношение массы и энергии [ править ]

Основные статьи: Эквивалентность массы и энергии и Масса в специальной теории относительности

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 посредством уравнения Эйнштейна E = mc 2. В процессе связывания составляющие 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 была на высокой энергии. 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 свое гравитационное поле., сила притяжения ускоряет объекты, увеличивая их скорость, что преобразует их потенциальную энергию (гравитацию) в кинетическую энергию. Когда частицы либо проходят друг через 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 повторят столкновение (происходит 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 подвергаютсянеупругое столкновение , преобразующее 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 ядерных реакциях 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 массами покоя реагентов и (охлажденных) продуктов. Это связано с тем, что ядерные силы сравнительно сильнее кулоновских сил, связанных с взаимодействиями между электронами и протонами, которые выделяют тепло в химии.

Массовое изменение [ править ]

Массовое изменение (уменьшение) в связанных системах, особенно атомных ядер, также называют дефект массы , дефицит масс , или масса уплотненной фракции . [ необходима цитата ]

Разница между расчетной массой несвязанной системы и экспериментально измеренной массой ядра (изменение массы) обозначается как Δ m . Его можно рассчитать следующим образом:

Изменение массы = (расчетная масса несвязанной системы) - (измеренная масса системы)
например (сумма масс протонов и нейтронов) - (измеренная масса ядра)

После того, как происходит ядерная реакция, которая приводит к возбужденному ядру, энергия, которая должна быть излучена или иным образом удалена как энергия связи для распада в невозбужденное состояние, может иметь одну из нескольких форм. Это могут быть электромагнитные волны, например гамма-излучение ; кинетическая энергия выброшенной частицы, такой как электрон, при затухании внутренней конверсии ; или частично как масса покоя одной или нескольких испускаемых частиц, таких как частицы бета-распада . Теоретически не может возникнуть никакого 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 фотона или другой частицы, как указано выше, в соответствии с соотношением E = mc 2 . Таким образом, после удаления энергии связи энергия связи = изменение массы × c 2 . 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 дейтерия 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 ядерного синтеза или ядерного деления, представляет собой разность энергий связи «топлива», то есть начального (ых) нуклида (ов), от энергии продуктов деления или синтеза. На практике эта энергия также может быть рассчитана из существенной разницы масс между топливом и продуктами, при этом используются предыдущие измерения атомных масс известных нуклидов, которые всегда имеют одинаковую массу для каждого вида. Эта разница в массах появляется после удаления выделяющегося тепла и излучения, что требуется для измерения (остальных) масс (невозбужденных) нуклидов, участвующих в таких расчетах.

См. Также [ править ]

  • Энергия связи и энергия связи, диссоциация
  • 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 дефект массы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Рольф, Джеймс Уильям (1994). Современная физика от α до Z ° . Джон Вили и сыновья. п. 20. ISBN 0471572705.
  2. ^ 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.
  3. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Энергия ионизации ». DOI : 10,1351 / goldbook.I03199
  4. ^ «Связующая энергия» . Атомная энергетика . Дата обращения 16 мая 2015 .
  5. ^ Боданский, Дэвид (2005). Ядерная энергия: принципы, практика и перспективы (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, LLC. п. 625. ISBN 9780387269313.
  6. Перейти ↑ Wong, Samuel SM (2004). Вводная ядерная физика (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH . стр.  9 -10. ISBN 9783527617913.
  7. ^ Карлинер, Марек и Джонатан Л. Рознер. «Кварковый аналог ядерного синтеза с дважды тяжелыми барионами». Nature 551.7678 (2017): 89.
  8. ↑ EF Taylor и JA Wheeler, Spacetime Physics , WH Freeman and Co., NY. 1992. ISBN 0-7167-2327-1 , см. Стр. 248-9 для обсуждения массы, остающейся постоянной после взрыва ядерных бомб до тех пор, пока тепло не уйдет. 

Внешние ссылки [ править ]

  • Ядерная связывающая энергия
  • Масса и стабильность нуклидов
  • Экспериментальные данные об атомной массе, составленные ноябрь 2003 г.