Năng lượng kết dính – Wikipedia

Năng lượng liên kết (còn gọi là năng lượng tách) là năng lượng tối thiểu cần thiết để tháo rời một hệ thống các hạt thành các phần riêng biệt. Năng lượng này bằng với khuyết tật khối lượng – lượng năng lượng hoặc khối lượng được giải phóng khi một hệ thống ràng buộc (thường có năng lượng tiềm năng thấp hơn tổng các phần cấu thành của nó) được tạo ra và là yếu tố giữ cho hệ thống cùng nhau . Nếu năng lượng được cung cấp nhiều hơn năng lượng liên kết, thì các thành phần tách rời sở hữu động năng khác không.

Ý tưởng chung [ chỉnh sửa ]

Nói chung, năng lượng liên kết đại diện cho công việc cơ học phải được thực hiện để chống lại các lực giữ vật thể lại với nhau, tháo rời vật thể thành các bộ phận của nó với đủ khoảng cách giữa chúng để tách thêm đòi hỏi công việc bổ sung không đáng kể.

Trong các hệ thống ràng buộc, nếu năng lượng liên kết bị loại bỏ khỏi hệ thống, nó phải được trừ khỏi khối lượng của hệ thống không liên kết, bởi vì năng lượng này có khối lượng . Do đó, nếu năng lượng bị loại bỏ (hoặc phát ra) khỏi hệ thống tại thời điểm bị ràng buộc, sự mất năng lượng này cũng sẽ dẫn đến việc mất khối lượng của hệ thống. [1] Khối lượng của hệ thống không được bảo toàn trong quá trình này vì hệ thống là "mở" (nghĩa là không phải là một hệ thống tách biệt với khối lượng hoặc năng lượng đầu vào hoặc tổn thất) trong quá trình ràng buộc.

Có một số loại năng lượng liên kết, mỗi loại hoạt động trên một khoảng cách và thang năng lượng khác nhau. Kích thước của một hệ thống ràng buộc càng nhỏ thì năng lượng liên kết của nó càng cao.

Các loại năng lượng liên kết [ chỉnh sửa ]

Loại Mô tả Ví dụ Cấp độ
Năng lượng liên kết nguyên tử Năng lượng liên kết nguyên tử của nguyên tử bắt nguồn từ tương tác điện từ, qua trung gian là photon. Đó là năng lượng cần thiết để phân tách một nguyên tử thành các electron tự do và hạt nhân. [2] Cấp nguyên tử
Năng lượng trái phiếu; Năng lượng phân ly trái phiếu Năng lượng liên kết và năng lượng phân ly liên kết là thước đo năng lượng liên kết giữa các nguyên tử trong liên kết hóa học. Đó là năng lượng cần thiết để phân tách một phân tử thành các nguyên tử cấu thành của nó. Năng lượng này xuất hiện dưới dạng năng lượng hóa học, như năng lượng được giải phóng trong các vụ nổ hóa học, đốt cháy nhiên liệu hóa học và các quá trình sinh học. Năng lượng liên kết và năng lượng phân ly liên kết thường nằm trong phạm vi một vài eV trên mỗi liên kết. Năng lượng phân ly liên kết của liên kết carbon-carbon là khoảng 3,6 eV. Cấp độ phân tử
Năng lượng liên kết điện tử; Năng lượng ion hóa Năng lượng liên kết điện tử, thường được gọi là năng lượng ion hóa, [3] là thước đo năng lượng cần thiết để giải phóng các electron khỏi quỹ đạo nguyên tử của chúng. Trong số các nguyên tố hóa học, phạm vi năng lượng ion hóa là từ 3,8939 eV đối với electron ngoài cùng trong nguyên tử xêtan đến 11,567617 keV đối với electron trong cùng trong nguyên tử đồng. Cấp nguyên tử
Năng lượng liên kết hấp dẫn Năng lượng liên kết hấp dẫn của một vật thể, chẳng hạn như thiên thể, là năng lượng cần thiết để mở rộng vật chất thành vô cực. Năng lượng liên kết hấp dẫn của một vật thể, chẳng hạn như thiên thể, là năng lượng cần thiết để mở rộng vật chất thành vô cực. Nếu một cơ thể có khối lượng và bán kính Trái đất được tạo ra hoàn toàn bằng hydro-1, thì năng lượng liên kết hấp dẫn của cơ thể đó sẽ vào khoảng 0,391658 eV mỗi nguyên tử. Nếu một cơ thể hydro-1 có khối lượng và bán kính của Mặt trời, năng lượng liên kết hấp dẫn của nó sẽ vào khoảng 1.195,586 eV mỗi nguyên tử. Cấp độ vật lý thiên văn
Năng lượng liên kết hạt nhân Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần thiết để phân tách hạt nhân thành các neutron tự do, không liên kết và các proton mà nó được tạo thành. Nó là năng lượng tương đương với khuyết tật khối lượng, sự khác biệt giữa số khối của hạt nhân và khối lượng đo thực của nó. [4][5] Năng lượng liên kết hạt nhân xuất phát từ lực hạt nhân hoặc lực mạnh còn lại, được trung gian bởi ba loại meson. Năng lượng liên kết hạt nhân trung bình trên mỗi nucleon dao động từ 2,22452 MeV đối với hydro-2 đến 8,7945 MeV đối với niken-62. Cấp hạt nhân
Năng lượng liên kết lượng tử Năng lượng liên kết sắc ký lượng tử là năng lượng liên kết các quark khác nhau lại với nhau trong một hadron. Năng lượng này bắt nguồn từ sự tương tác mạnh mẽ, được trung gian bởi các gluon. Năng lượng liên kết động lực học bên trong một hạt nhân chiếm khoảng 99% khối lượng của hạt nhân.

Năng lượng liên kết sắc ký của một proton là khoảng 928,9 MeV, trong khi năng lượng của neutron là khoảng 927,7 MeV.

Năng lượng liên kết lớn giữa các quark đáy (280 MeV) tạo ra một số phản ứng (dự kiến ​​về mặt lý thuyết) với baryon lambda để giải phóng 138 MeV mỗi sự kiện. [6]

Cấp lượng tử

Mối quan hệ năng lượng lớn [ chỉnh sửa ]

Một hệ thống ràng buộc thường ở mức năng lượng thấp hơn các thành phần không liên kết của nó vì khối lượng của nó phải nhỏ hơn tổng khối lượng của các thành phần không liên kết của nó . Đối với các hệ thống có năng lượng liên kết thấp, khối lượng "mất" này sau khi liên kết có thể nhỏ một phần, trong khi đối với các hệ thống có năng lượng liên kết cao, khối lượng bị thiếu có thể là một phần dễ đo lường được. Khối lượng bị thiếu này có thể bị mất trong quá trình liên kết dưới dạng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng, với năng lượng bị loại bỏ tương ứng với khối lượng bị loại bỏ thông qua phương trình Einstein E = mc 2 . Trong quá trình liên kết, các thành phần của hệ thống có thể đi vào trạng thái năng lượng cao hơn của hạt nhân / nguyên tử / phân tử trong khi vẫn giữ được khối lượng của chúng, và vì điều này, cần phải loại bỏ chúng khỏi hệ thống trước khi khối lượng của nó có thể giảm. Khi hệ thống nguội đi ở nhiệt độ bình thường và trở về trạng thái cơ bản liên quan đến mức năng lượng, nó sẽ chứa ít khối lượng hơn so với lần đầu tiên kết hợp và ở mức năng lượng cao. Sự mất nhiệt này đại diện cho "thâm hụt khối lượng", và chính nhiệt giữ lại khối lượng đã mất (theo quan điểm của hệ thống ban đầu). Khối lượng này sẽ xuất hiện trong bất kỳ hệ thống nào khác hấp thụ nhiệt và tăng năng lượng nhiệt. [7]

Ví dụ, nếu hai vật thể hút nhau trong không gian thông qua trường hấp dẫn của chúng, lực hấp dẫn sẽ tăng tốc. các vật thể, tăng vận tốc của chúng, chuyển đổi năng lượng tiềm năng (trọng lực) của chúng thành động năng. Khi các hạt đi qua nhau mà không có tương tác hoặc đẩy lùi đàn hồi trong quá trình va chạm, động năng thu được (liên quan đến tốc độ) bắt đầu trở lại thành năng lượng tiềm năng, đẩy các hạt va chạm ra xa nhau. Các hạt giảm tốc sẽ trở về khoảng cách ban đầu và xa hơn vào vô cực, hoặc dừng lại và lặp lại va chạm (diễn ra dao động). Điều này cho thấy hệ thống, không mất năng lượng, không kết hợp (liên kết) thành một vật thể rắn, các bộ phận dao động ở khoảng cách ngắn. Do đó, để liên kết các hạt, động năng thu được do lực hút phải bị tiêu tán bởi lực điện trở. Các vật thể phức tạp trong va chạm thường trải qua va chạm không đàn hồi, biến đổi một số động năng thành năng lượng bên trong (hàm lượng nhiệt, là chuyển động nguyên tử), được phát xạ thêm dưới dạng photon – ánh sáng và nhiệt. Một khi năng lượng để thoát khỏi trọng lực bị tiêu tan trong vụ va chạm, các bộ phận sẽ dao động ở khoảng cách gần hơn, có thể là nguyên tử, do đó trông giống như một vật thể rắn. Năng lượng bị mất này, cần thiết để vượt qua rào cản tiềm năng để tách các đối tượng, là năng lượng liên kết. Nếu năng lượng liên kết này được giữ lại trong hệ thống dưới dạng nhiệt, khối lượng của nó sẽ không giảm, trong khi năng lượng liên kết bị mất khỏi hệ thống vì bức xạ nhiệt sẽ có khối lượng. Nó trực tiếp đại diện cho "thâm hụt hàng loạt" của hệ thống ràng buộc lạnh.

Cân nhắc tương tự chặt chẽ áp dụng trong các phản ứng hóa học và hạt nhân. Phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong các hệ kín không thay đổi khối lượng, nhưng trở nên ít lớn hơn một khi nhiệt phản ứng được loại bỏ, mặc dù sự thay đổi khối lượng này quá nhỏ để đo bằng thiết bị tiêu chuẩn. Trong các phản ứng hạt nhân, phần khối lượng có thể bị loại bỏ dưới dạng ánh sáng hoặc nhiệt, tức là năng lượng liên kết, thường là một phần lớn hơn nhiều của khối lượng hệ thống. Do đó, nó có thể được đo trực tiếp như một sự khác biệt khối lượng giữa khối lượng còn lại của chất phản ứng và sản phẩm (được làm mát). Điều này là do các lực hạt nhân tương đối mạnh hơn các lực Coulombic liên quan đến sự tương tác giữa các electron và proton tạo ra nhiệt trong hóa học.

Thay đổi khối lượng [ chỉnh sửa ]

Thay đổi khối lượng (giảm) trong các hệ thống ràng buộc, đặc biệt là hạt nhân nguyên tử, cũng được gọi là khối lượng thâm hụt hoặc khối lượng phần đóng gói . [ cần trích dẫn ]

Sự khác biệt giữa khối lượng không tính toán được tính toán và khối lượng hạt nhân được đo bằng thực nghiệm ( thay đổi khối lượng) được ký hiệu là Δ m . Nó có thể được tính như sau:

Thay đổi khối lượng = (khối lượng tính toán của hệ thống không liên kết) – (khối lượng đo của hệ thống)

tức là (tổng khối lượng của proton và neutron) – (khối lượng hạt nhân đo được)

Sau khi phản ứng hạt nhân xảy ra dẫn đến hạt nhân bị kích thích, năng lượng phải được tỏa ra hoặc loại bỏ thành năng lượng liên kết theo thứ tự để phân rã đến trạng thái không được phép có thể ở một trong một số hình thức. Đây có thể là sóng điện từ, như bức xạ gamma; động năng của một hạt bị đẩy ra, chẳng hạn như electron, trong phân rã chuyển đổi bên trong; hoặc một phần là khối lượng còn lại của một hoặc nhiều hạt phát ra, chẳng hạn như các hạt phân rã beta. Về lý thuyết, không có thâm hụt khối lượng có thể xuất hiện cho đến khi bức xạ này hoặc năng lượng này được phát ra và không còn là một phần của hệ thống.

Khi các hạt nhân liên kết với nhau để tạo thành hạt nhân, chúng phải mất một lượng nhỏ khối lượng, tức là, có một sự thay đổi về khối lượng để duy trì liên kết. Sự thay đổi khối lượng này phải được giải phóng dưới dạng nhiều loại photon hoặc năng lượng hạt khác như trên, theo mối quan hệ E = mc 2 . Do đó, sau khi năng lượng liên kết đã bị loại bỏ, năng lượng liên kết = thay đổi khối lượng × c 2 . Năng lượng này là thước đo các lực giữ các hạt nhân lại với nhau. Nó đại diện cho năng lượng phải được cung cấp lại từ môi trường để hạt nhân bị phá vỡ thành các hạt nhân riêng lẻ.

Năng lượng phát ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân hoặc phân hạch hạt nhân là sự khác biệt của năng lượng liên kết của "nhiên liệu", tức là các hạt nhân ban đầu, từ các sản phẩm phân hạch hoặc hợp hạch. Trong thực tế, năng lượng này cũng có thể được tính từ sự khác biệt khối lượng đáng kể giữa nhiên liệu và sản phẩm, sử dụng các phép đo trước đó về khối lượng nguyên tử của các hạt nhân đã biết, luôn có cùng khối lượng cho mỗi loài. Sự khác biệt khối lượng này xuất hiện một khi nhiệt và bức xạ tiến hóa đã được loại bỏ, cần thiết để đo khối lượng (phần còn lại) của các hạt nhân (không kích thích) liên quan đến các tính toán như vậy.

Xem thêm [ chỉnh sửa ]

Tài liệu tham khảo [ chỉnh sửa ]

  1. ^ HyperPhysics – "Năng lượng hạt nhân" . C.R. Gian giữa Đại học bang Georgia. Truy cập ngày 7 tháng 9 năm 2010. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html[19659064[^[19659065["Nănglượngliênkếtnănglượnghạtnhân". Truy cập 16 tháng 5 2015 .
  2. ^ IUPAC, Bản tóm tắt thuật ngữ hóa học tái bản lần 2. ("Sách vàng") (1997). Phiên bản sửa lỗi trực tuyến: (2006)) "Năng lượng ion hóa". doi: 10.1351 / goldbook.I03199
  3. ^ Bodansky, David (2005). Năng lượng hạt nhân: Nguyên tắc, thực tiễn và triển vọng (tái bản lần 2). New York: Springer Science + Business Media, LLC. tr. 625. ISBN YAM387269313.
  4. ^ Wong, Samuel S.M. (2004). Vật lý hạt nhân nhập môn (tái bản lần 2). Weinheim: Wiley-VCH. trang 9 bóng10. SĐT 9803527617913.
  5. ^ Karliner, Marek và Jonathan L. Rosner. "Tương tự cấp độ quark của phản ứng tổng hợp hạt nhân với các baryon nặng gấp đôi." Thiên nhiên 551.7678 (2017): 89.
  6. ^ E. F. Taylor và J. A. Wheeler, Vật lý không thời gian W.H. Freeman và Công ty, NY. 1992. ISBN 0-7167-2327-1, xem trang 248-9 để thảo luận về khối lượng không đổi còn lại sau khi kích nổ bom hạt nhân cho đến khi nhiệt được thoát ra.

Liên kết ngoài [ chỉnh sửa ]

All Right Reserved 2018