Энергия связи

В физике и химии энергия связи — это наименьшее количество энергии, необходимое для отделения частицы от системы частиц или для разборки системы частиц на отдельные части. ^[1] термин энергия разделения В первом значении этот термин преимущественно используется в физике конденсированного состояния, атомной физике и химии, тогда как в ядерной физике используется . Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, чем ее несвязанные составляющие. Согласно теории относительности, $уменьшение полной энергии системы на Δ E$ сопровождается уменьшением $Δ m$ полной массы на $, где Δ mc 2 = ΔЕ$ . ^[2]

Типы

Существует несколько типов энергии связи, каждый из которых действует на разном расстоянии и в энергетическом масштабе. Чем меньше размер связанной системы, тем выше связанная с ней энергия связи.

Тип	Описание	Пример	Уровень
Гравитационная энергия связи	Энергия гравитационной связи объекта, такого как небесное тело , — это энергия, необходимая для расширения материала до бесконечности.	Если бы тело с массой и радиусом Земли состояло исключительно из водорода-1 , то энергия гравитационной связи этого тела составляла бы около 0,391658 эВ на атом. Если бы тело водорода-1 имело массу и радиус Солнца , его энергия гравитационной связи составляла бы около 1195,586 эВ на атом.	Астрофизический уровень
Энергия связи; Энергия диссоциации связи	Энергия связи и энергия диссоциации связи являются мерами энергии связи между атомами в химической связи . Это энергия, необходимая для разбора 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
Энергия связи электрона; Энергия ионизации	Энергия связи электрона , более известная как энергия ионизации , ^[3] является мерой энергии, необходимой для освобождения электрона с его атомной орбитали или из твердого тела. 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 внешнего электрона в атоме цезия до 11,567617 кэВ для самого внутреннего электрона в атоме меди .	Атомный уровень
Энергия связи атомов	Энергия связи атома — это энергия, необходимая для разделения атома на свободные электроны и ядро. ^[4] Это сумма энергий ионизации всех электронов, принадлежащих конкретному атому. Энергия связи атома возникает в результате электромагнитного взаимодействия электронов с ядром, опосредованного фотонами .	Для атома гелия с двумя электронами энергия связи атома представляет собой сумму энергии первой ионизации (24,587 эВ) и энергии второй ионизации (54,418 эВ), что в сумме составляет 79,005 эВ.	Атомный уровень
Энергия ядерной связи	Энергия связи ядра — это энергия, необходимая для разделения 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] Энергия ядерной связи возникает из ядерного взаимодействия или остаточного сильного взаимодействия, которое опосредуется тремя типами мезонов .	Средняя энергия связи ядра на нуклон колеблется от 1,11226 МэВ для водорода-2 до 8,7945 МэВ для никеля-62 .	Ядерный уровень
Энергия связи квантовой хромодинамики	Энергия связи квантовой хромодинамики неправильно использует термин «недостаток энергии». Он касается массы и кинетической энергии частей, которые связывают различные кварки вместе внутри адрона . Эта энергия возникает в результате сильного взаимодействия , которое осуществляется глюонами через виртуальные глюоны и морские кварки.	Хромодинамическая энергия связи внутри нуклона составляет примерно 99% массы нуклона. Хромодинамическая энергия связи протона составляет около 928,9 МэВ, а нейтрона — около 927,7 МэВ. Большая энергия связи между нижними кварками (280 МэВ) приводит к тому, что некоторые (теоретически ожидаемые) реакции с -барионами выделяют лямбда 138 МэВ за событие. ^[7]	Уровень элементарных частиц

Отношение массы и энергии

Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, чем ее несвязанные составляющие, поскольку ее масса должна быть меньше общей массы несвязанных составляющих. Для систем с низкой энергией связи эта «потерянная» масса после связывания может быть незначительной, 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 по уравнению Эйнштейна $E = mc. 2$ . В процессе связывания составляющие системы могут перейти в более высокие энергетические состояния ядра/атома/молекулы, сохраняя при этом свою массу, и поэтому необходимо, чтобы они были удалены из системы до того, как ее масса сможет уменьшиться. Как только система остынет до нормальной температуры и вернется в основное состояние относительно уровней энергии, она будет содержать меньшую массу, чем когда она впервые объединилась 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 приобретает тепловую энергию. ^[8]

Например, если два объекта притягиваются друг к другу в космосе через 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, раздвигая сталкивающиеся частицы друг от друга. Замедляющиеся частицы вернутся на исходное расстояние и далее 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 малых расстояниях. Следовательно, чтобы связать частицы, кинетическая энергия, полученная в результате притяжения, должна рассеиваться за счет силы сопротивления. Сложные объекты при столкновении обычно подвергаются неупругому столкновению , преобразуя некоторую кинетическую энергию во внутреннюю энергию (тепловое содержание, то есть движение атомов), которая далее излучается в виде фотонов – света и тепла. Как только энергия, необходимая для преодоления 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 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. Оно напрямую представляет собой «дефицит массы» холодной связанной системы.

Близко аналогичные соображения применимы к химическим и ядерным реакциям. Экзотермические химические реакции в закрытых системах не меняют массу, но становятся менее массивными после удаления тепла реакции, хотя это изменение массы слишком мало, чтобы его можно было измерить стандартным оборудованием. В ядерных реакциях доля массы, которая может быть удалена в виде света или тепла, т. е. энергия связи, часто составляет гораздо большую часть массы системы. Таким образом, его можно измерить непосредственно как разницу масс между массами покоя реагентов и (охлажденных) продуктов. Это связано с тем, что ядерные силы сравнительно сильнее, чем кулоновские силы, связанные с взаимодействиями между электронами и протонами, которые выделяют тепло в химии.

Массовые изменения

Изменение массы (уменьшение) в связанных системах, особенно в атомных ядрах, также называют дефектом массы , дефицитом массы или фракцией массовой упаковки . ^{[ нужна ссылка ]}

Разность 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, в результате которой образуется возбужденное ядро, энергия, которая должна быть излучена или иным образом удалена в качестве энергии связи, чтобы распасться до невозбужденного состояния, может находиться в одной из нескольких форм. Это могут быть электромагнитные волны, например гамма-излучение ; кинетическая энергия выброшенной частицы, такой как электрон, при внутреннем конверсионном распаде; или частично как масса покоя одной или нескольких испускаемых частиц, таких как частицы бета-распада . Теоретически никакого дефицита массы возникнуть не может до тех пор, пока это излучение или эта энергия не испустится и не перестанет быть частью системы.

Когда нуклоны связываются вместе, образуя ядро, они должны потерять небольшое количество массы, т. е. происходит изменение массы, чтобы оставаться связанными. Это изменение массы должно быть высвобождено в виде различных типов энергии фотонов или других частиц, 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, которую необходимо пополнить из окружающей среды, чтобы ядро распалось на отдельные нуклоны.

Например, атом дейтерия имеет дефект массы 0,0023884 Да, а его энергия связи почти равна 2,23 МэВ. Это означает, что для распада атома дейтерия необходима энергия 2,23 МэВ.

Энергия, выделяемая во время ядерного синтеза или ядерного деления, представляет собой разницу энергий связи «топлива», т.е. исходного нуклида (нуклидов), и энергии связи продуктов деления или синтеза. На практике эту энергию также можно рассчитать на основе существенной разницы масс между топливом и продуктами, используя 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 необходимо для измерения масс (покоя) (невозбужденных) нуклидов, участвующих в таких расчетах.

См. также

Полуэмпирическая формула массы
Энергия разделения (энергия связи одного нуклона)
Вириальная масса
Гипотеза Праута , ранняя модель атома, не учитывающая дефект массы.

Ссылки

^ Рольф, Джеймс Уильям (1994). Современная физика от α до Z° . Джон Уайли и сыновья. п. 20. ISBN 0471572705 .
^ Айсберг, Роберт; Резник, Роберт (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 524. ИСБН 047187373X .
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Энергия ионизации ». дои : 10.1351/goldbook.I03199
^ «Энергия связи» . Ядерная энергетика . Проверено 16 мая 2015 г.
^ Боданский, Дэвид (2005). Ядерная энергетика: принципы, практика и перспективы (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, LLC. п. 625. ИСБН 9780387269313 .
^ Вонг, Сэмюэл С.М. (2004). Вводная ядерная физика (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH . стр. 9–10 . ISBN 9783527617913 .
^ Карлинер, Марек и Джонатан Л. Рознер. «Аналог ядерного синтеза на кварковом уровне с дважды тяжелыми барионами». Природа 551.7678 (2017): 89.
^ Э.Ф. Тейлор и Дж.А. Уиллер, Физика пространства-времени , WH Freeman and Co., Нью-Йорк. 1992. ISBN 0716723271 , см. стр. 248–249, где обсуждается вопрос о том, остается ли масса постоянной после взрыва ядерных бомб до тех пор, пока тепло не выйдет наружу.

Внешние ссылки

[1] Рольф, Джеймс Уильям (1994). Современная физика от α до Z° . Джон Уайли 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 Уайли и сыновья. п. 524. ИСБН 047187373X .

[3] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Энергия ионизации ». дои : 10.1351/goldbook.I03199

[nuclearpower-4] «Энергия связи» . Ядерная энергетика . Проверено 16 мая 2015 г.

[5] Боданский, Дэвид (2005). Ядерная энергетика: принципы, практика и перспективы (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, LLC. п. 625. ИСБН 9780387269313 .

[6] Вонг, Сэмюэл С.М. (2004). Вводная ядерная физика (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH . стр. 9–10 . ISBN 9783527617913 .

[7] Карлинер, Марек и Джонатан Л. Рознер. «Аналог ядерного синтеза на кварковом уровне с дважды тяжелыми барионами». Природа 551.7678 (2017): 89.

[8] Э.Ф. Тейлор и Дж.А. Уиллер, Физика пространства-времени , WH Freeman and Co., Нью-Йорк. 1992. ISBN 0716723271 , см. стр. 248–249, где обсуждается вопрос о том, остается ли масса постоянной после взрыва ядерных бомб до тех пор, пока тепло не выйдет наружу.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]