Vai jūs kādreiz esat apskatījis malkas gabalu un sev sacījis: “Dod, es brīnos, cik daudz enerģijas būtu nepieciešams, lai šo lietu sadalītu atsevišķi”? Iespējams, ka to nedara, nedaudza cilvēki. Bet fiziķiem jautājums par to, cik daudz enerģijas ir nepieciešams, lai kaut ko sadalītu tā sastāvdaļās, patiesībā ir diezgan svarīgs jautājums.
Fizikas jomā tas ir tas, ko sauc par saistošo enerģiju, vai tas ir mehāniskās enerģijas daudzums, kas nepieciešams atoma izjaukšanai atsevišķās daļās. Šo koncepciju zinātnieki izmanto daudzos dažādos līmeņos, kas ietver atomu līmeni, kodola līmeni, kā arī astrofizikā un ķīmijā.
Kodolenerģija:
Kā ikviens, kurš atceras savu pamata ķīmiju vai fiziku, noteikti zina, atomi sastāv no subatomiskām daļiņām, kuras sauc par nukleoniem. Tās sastāv no pozitīvi lādētām daļiņām (protoniem) un neitrālām daļiņām (neitroniem), kas ir izvietotas centrā (kodolā). Tos ieskauj elektroni, kas riņķo ap kodolu un ir izvietoti dažādos enerģijas līmeņos.
Iemesls, kāpēc subatomiskās daļiņas, kurām ir principiāli atšķirīgi lādiņi, spēj eksistēt tik tuvu viena otrai, ir Spēcīga kodolenerģijas spēka klātbūtnes dēļ - tas ir Visuma pamat spēks, kas ļauj subatomiskās daļiņas piesaistīt nelielos attālumos. Tieši šis spēks neitralizē atgrūdošo spēku (pazīstams kā Kulona spēks), kas izraisa daļiņas atgrūž viena otru.
Tāpēc visiem mēģinājumiem sadalīt kodolu vienā un tajā pašā brīvo nesaistīto neitronu un protonu skaitā - lai tie būtu pietiekami tālu / pietiekami tālu viens no otra, lai spēcīgais kodolieroču spēks vairs neizraisītu daļiņu mijiedarbību - būs nepieciešams pietiekami daudz enerģijas, lai sadalītos šīs kodolsaistības.
Tādējādi saistošā enerģija ir ne tikai enerģijas daudzums, kas vajadzīgs spēcīgu kodolenerģijas saišu sašķelšanai, bet arī saišu, kas satur nukleonus, stiprības mērījums.
Kodoldalīšanās un kodolsintēze:
Lai atdalītu nukleonus, kodolā ir jāiegūst enerģija, ko parasti veic, kodolā bombardējot ar augstas enerģijas daļiņām. Smago atomu kodolu (piemēram, urāna vai plutonija atomu) bombardēšanas gadījumā ar protoniem to sauc par kodola skaldīšanu.
Tomēr saistošajai enerģijai ir nozīme arī kodolsintēzes procesā, kur gaismas kodoli kopā (piemēram, ūdeņraža atomi) ir saistīti kopā lielas enerģijas stāvokļos. Ja produktu saistošā enerģija ir augstāka, kad saplūst gaismas kodoli vai ja smagie kodoli sadalās, tad kāds no šiem procesiem izdalīs “papildu” saistošo enerģiju. Šī enerģija tiek saukta par kodolenerģiju vai brīvi kā kodolenerģija.
Tiek novērots, ka jebkura kodola masa vienmēr ir mazāka par to veidojošo atsevišķo kodolu masu summu. Masas “zudums”, kas rodas, sadaloties nukleoniem, veidojot mazāku kodolu, vai saplūstot, veidojot lielāku kodolu, tiek attiecināts arī uz saistošo enerģiju. Šī trūkstošā masa procesa laikā var tikt zaudēta siltuma vai gaismas veidā.
Tiklīdz sistēma atdziest līdz normālai temperatūrai un enerģijas līmeņa ziņā atgriežas pamata stāvoklī, sistēmā paliek mazāk masas. Tādā gadījumā noņemtais siltums precīzi atspoguļo masas “deficītu”, un pats siltums saglabā zaudēto masu (no sākotnējās sistēmas viedokļa). Šī masa parādās jebkurā citā sistēmā, kas absorbē siltumu un iegūst siltumenerģiju.
Saistošās enerģijas veidi:
Stingri sakot, pastāv vairāki dažādi saistošās enerģijas veidi, kuru pamatā ir konkrētā studiju joma. Runājot par daļiņu fiziku, saistošā enerģija attiecas uz enerģiju, ko atoms iegūst no elektromagnētiskās mijiedarbības, un tas ir arī enerģijas daudzums, kas vajadzīgs atoma izjaukšanai brīvajos nukleonos.
Elektronu atdalīšanas gadījumā no atoma, molekulas vai jonu nepieciešamo enerģiju sauc par “elektronu saistošo enerģiju” (sauktu arī par jonizācijas potenciālu). Kopumā viena protona vai neitrona saistošā enerģija kodolā ir aptuveni miljons reizes lielāka nekā viena elektrona saistošā enerģija atomā.
Astrofizikā zinātnieki izmanto terminu “gravitācijas saistošā enerģija”, lai apzīmētu enerģijas daudzumu, kas būtu nepieciešams, lai atdalītu (līdz bezgalībai) objektu, ko satur tikai gravitācija - ti, jebkurš zvaigžņu objekts, piemēram, zvaigzne, planēta vai komēta. Tas attiecas arī uz enerģijas daudzumu, kas tiek atbrīvots (parasti siltuma veidā), kad šāds priekšmets tiek akreditēts no materiāla, kas krīt no bezgalības.
Visbeidzot, ir tā sauktā “saites” enerģija, kas ir saites stiprības mērs ķīmiskajās saitēs, un tas ir arī enerģijas (siltuma) daudzums, kas nepieciešams, lai ķīmisko savienojumu sadalītu tā sastāvā esošajos atomos. Būtībā saistoša enerģija ir tā pati lieta, kas saista mūsu Visumu. Un, kad dažādas tā daļas tiek sadalītas, tas ir enerģijas daudzums, kas vajadzīgs tā veikšanai.
Saistošās enerģijas izpētei ir daudz lietojumu, no kuriem vismaz viens ir kodolenerģija, elektrība un ķīmiskā rūpniecība. Nākamajos gados un gadu desmitos tas būs raksturīgs kodolsintēzes attīstībā!
Mēs esam uzrakstījuši daudzus rakstus par saistošo enerģiju žurnālam Space. Lūk, kas ir Boha atomu modelis ?, Kas ir Džona Daltona atomu modelis ?, Kas ir plūmju pūšanas atomu modelis ?, Kas ir atomu masa ?, un Kodolsintēze zvaigznēs.
Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par saistošo enerģiju, skatiet hiperfizikas rakstu par kodolenerģijas saistošo enerģiju.
Mēs esam ierakstījuši arī veselu astronomijas epizodi, kas saistīti ar Visuma svarīgākajiem numuriem. Klausieties šeit, epizode 45: Svarīgie skaitļi Visumā.
Avoti:
- Wikipedia - saistošā enerģija
- Hiperfizika - kodola saistošā enerģija
- Eiropas Kodolenerģijas biedrība - saistošā enerģija
- Enciklopēdija Britannica - saistošā enerģija
