Войти
В физике и химии связывание энергия - наименьшее количество энергии, необходимое для удаления частицы из системы частиц или для разборки системы частиц на отдельные части. 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 имеет более низкий уровень энергии, чем ее несвязанные составляющие. Согласно теории относительности, уменьшение полной энергии системы на ΔE сопровождается уменьшением полной массы ΔM, где ΔM⋅c = ΔE.
Есть несколько типов энергии связи, каждый из которых работает над другое расстояние и шкала энергии. Чем меньше размер связанной системы, тем выше связанная с ней энергия связи.
| Тип | Описание | Пример | Уровень |
|---|---|---|---|
| Энергия связи электрона; Энергия ионизации | Энергия связи электрона, более известная как энергия ионизации, является мерой энергии, необходимой для освобождения электрона с его атомной орбитали или из твердого тела.. Энергия связи электрона происходит от электромагнитного взаимодействия электрона с ядром и другими электронами атома, молекулы или твердого тела и опосредуется фотоны. | Среди химических элементов диапазон энергий ионизации составляет от 3,8939 эВ для самого удаленного электрона в атоме цезия до 11,567617 кэВ для самого внутреннего электрона в атоме. из меди. | Атомный уровень |
| Энергия связи атома | Энергия связи атома - это энергия, необходимая для разложения атома на свободные электроны и ядро. Это сумма энергий ионизации всех электронов, принадлежащих определенному атому. Энергия связи атома возникает из электромагнитного взаимодействия электронов с ядром, опосредованного фотонами. | . Для атома гелия с 2 электронами связь атома Энергия представляет собой сумму энергии первой ионизации (24,587 эВ) и энергии второй ионизации (54,418 эВ), всего 79,005 эВ. | Атомный уровень |
| Энергия связи; Энергия диссоциации связи | Энергия связи и энергия диссоциации связи являются мерой энергии связи между атомами в химической связи. Это энергия, необходимая для разборки молекулы на составляющие ее атомы. Эта энергия отображается как химическая энергия, например, выделяемая 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-углеродная связь составляет около 3,6 эВ. | Молекулярный уровень |
| Энергия связи ядра | Энергия связи ядра - это энергия, необходимая для разборки ядра на свободные, несвязанные нейтроны и протонов, из которых он состоит. Это энергетический эквивалент дефекта массы, разницы между массовым числом ядра и его измеренной массой. Энергия связи ядра происходит от ядерной силы или остаточной сильной силы, которая обеспечивается тремя типами мезонов. | . Средняя энергия связи ядра на нуклон составляет от 2,22452 МэВ для водорода - От 2 до 8,7945 МэВ для никель-62. | Уровень ядра |
| Энергия связи квантовой хромодинамики | Энергия связи квантовой хромодинамики - это энергия, которая связывает различные кварки вместе внутри адрона. Эта энергия происходит от сильного взаимодействия, которое обеспечивается глюонами. | . Хромодинамическая энергия связи внутри нуклона составляет приблизительно 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 до высвобождением 138 МэВ на событие. | Уровень элементарных частиц |
| Гравитационная связь Энергия | гравитационная энергия связи объекта, такого как небесное тело, - это энергия, необходимая для расширения материала до бесконечности. | Если бы тело с массой и радиусом Земля было сделано исключительно из водорода-1, то гравитационная энергия связи этого тела была бы примерно 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 |
Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, 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, при этом удаленная энергия соответствует удаленной массе посредством уравнения Эйнштейна E = mc. 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 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 набирает тепловую энергию.
Например, если два объекта притягивают друг друга в пространстве через свое гравитационное поле, сила притяжения ускоряется объекты, увеличивая их скорость, которая преобразует их потенциальную энергию (гравитацию) в кинетическую энергию. 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 претерпевают неупругое столкновение, преобразовывая некоторую кинетическую энергию во внутреннюю энергию (теплосодержание, которое представляет собой движение атомов), 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.
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.
Изменение (уменьшение) массы в связанных системах, особенно атомных ядрах, также называют дефектом массы, дефицитом массы или массовой долей упаковки.
Разница между расчетной массой несвязанной системы и экспериментально измеренной массой ядра (изменение массы) обозначается как Δm. Его можно рассчитать следующим образом:
После ядерной реакции, приводящей к возбужденному ядру, энергия, которая должна быть излучена или иным образом удалена как энергия связи в Распад в невозбужденное состояние может быть в одной из нескольких форм. Это могут быть электромагнитные волны, такие как гамма-излучение ; кинетическая энергия выброшенной частицы, такой как электрон, в распаде 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 фотонов или других частиц, как указано выше, в соответствии с соотношением E = mc. Таким образом, после удаления энергии связи энергия связи = изменение массы × c . 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 нуклида (ов), от 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 масс появляется после удаления выделяющегося тепла и излучения, что требуется для измерения (остальных) масс (невозбужденных) нуклидов, участвующих в таких расчетах.
