Kas olete kunagi mõne küttepuutüki pilgu heitnud ja öelnud endale: “Kuule, ma mõtlen, kui palju energiat selle asja lahutamiseks kuluks?” Võimalik, et ei ole, seda teevad vähesed inimesed. Kuid füüsikute jaoks on tegelikult päris oluline küsimus küsida, kui palju energiat on vaja millegi eraldamiseks selle osadeks.
Füüsika valdkonnas nimetatakse seda sidumisenergiaks või mehaanilise energia koguseks, mis kulub aatomi eraldi osadeks lahtivõtmiseks. Teadlased kasutavad seda mõistet paljudel erinevatel tasanditel, mis hõlmavad nii aatomi, tuuma kui ka astrofüüsikat ja keemiat.
Tuumajõud:
Nagu keegi, kes mäletab oma põhilist keemiat või füüsikat, kindlasti teab, koosnevad aatomid subatomilistest osakestest, mida nimetatakse nukleonideks. Need koosnevad positiivselt laetud osakestest (prootonitest) ja neutraalsetest osakestest (neutronitest), mis on paigutatud keskele (tuumas). Neid ümbritsevad tuuma tiirlevad elektronid ja need paiknevad erinevatel energiatasanditel.
Põhjus, miks põhimõtteliselt erinevate laengutega subatomaalsed osakesed suudavad eksisteerida nii lähestikku, on põhjustatud Tugevast Tuumajõust - universumi põhijõust, mis võimaldab subatomaatilisi osakesi väikeste vahemaade taha meelitada. Just see jõud neutraliseerib tõrjuvat jõudu (tuntud kui Coulomb Force), mis põhjustab osakeste üksteise tõrjumist.
Seetõttu nõuab iga tuuma jagunemiseks sama arv vabasid seondumata neutroneid ja prootoneid - nii, et nad oleksid üksteisest piisavalt kaugel / kaugel, et tugev tuumajõud ei saaks enam osakeste vastasmõju põhjustada - jagunemiseks on vaja piisavalt energiat need tuumasidemed.
Seega ei ole siduv energia mitte ainult energiahulk, mis on vajalik tugevate tuumajõusidemete purunemiseks, vaid see on ka nukleone koos hoidvate sidemete tugevuse mõõt.
Tuuma lõhustumine ja termotuumasüntees:
Tuumade eraldamiseks tuleb tuuma tarnida energiat, mis tavaliselt saavutatakse tuuma pommimisega suure energiaga osakestega. Raskete aatomituumade (näiteks uraani või plutooniumi aatomite) pommide prootonitega pommitamise korral nimetatakse seda tuuma lõhustumiseks.
Siduv energia mängib aga rolli ka tuumasünteesis, kus kerged tuumad (näiteks vesinikuaatomid) on seotud kõrge energiaseisundiga. Kui toodete sidumisenergia on kõrgem, kui tuumad sulanduvad või kui rasked tuumad lõhenevad, vabastab üks neist protsessidest „täiendava“ sidumisenergia. Seda energiat nimetatakse tuumaenergiaks või lõdvalt tuumaenergiaks.
Täheldatakse, et mis tahes tuuma mass on alati väiksem kui seda moodustavate üksikute tuumade masside summa. Massi "kadu", mis tuleneb nukleonide lõhestamisest väiksema tuuma moodustamiseks või suuremate tuumade ühinemiseks, omistatakse ka sidumisenergiale. See puuduv mass võib protsessi käigus kaduda soojuse või valguse kujul.
Kui süsteem jahtub normaalsele temperatuurile ja naaseb energiataseme põhiasendisse, jääb süsteemi vähem massi. Sel juhul tähistab eemaldatud kuumus täpselt massi puudujääki ja soojus ise säilitab kaotatud massi (esialgse süsteemi seisukohast). See mass ilmneb muus süsteemis, mis neelab soojust ja kogub soojusenergiat.
Siduva energia tüübid:
Rangelt võttes on mitut erinevat tüüpi sidumisenergiat, mis põhineb konkreetsel õppesuunal. Kui rääkida osakeste füüsikast, viitab siduv energia energiale, mille aatom saab elektromagnetilisest interaktsioonist, ja on ka energia kogus, mis on vajalik aatomi vabadeks nukleonideks lahtivõtmiseks.
Elektronide eemaldamisel aatomist, molekulist või ioonist nimetatakse vajaminevat energiat elektronide sidumisenergiaks (aka ionisatsioonipotentsiaal). Üldiselt on tuuma üksiku prootoni või neutroni sidumisenergia umbes miljon korda suurem kui aatomis oleva ühe elektroni sidumisenergia.
Astrofüüsikas kasutavad teadlased terminit “gravitatsiooniline sidumisenergia” energiakoguse jaoks, mis kulub objekti eraldamiseks (lõpmatuseni), mida hoiab ainult gravitatsioon - st mis tahes täheobjekt, nagu täht, planeet või komeet. See viitab ka energiahulgale, mis vabaneb (tavaliselt soojuse kujul) sellise objekti akrimineerimisel lõpmatusest langevast materjalist.
Lõpuks on olemas nn sidemeenergia, mis mõõdab keemiliste sidemete sideme tugevust ja on ka energia (soojuse) kogus, mis kulub keemilise ühendi lõhustamiseks selle koostisosade aatomiteks. Põhimõtteliselt on siduv energia just see asi, mis meie Universumit seob. Ja kui selle erinevad osad lagunevad, on selle teostamiseks vajalik energiakogus.
Siduva energia uurimisel on arvukalt rakendusi, millest mitte vähem olulised on tuumaenergia, elekter ja keemiatööstus. Ja lähiaastatel ja aastakümnetel on see tuumasünteesi arendamisel olemuslik!
Oleme ajakirja Space jaoks kirjutanud palju artikleid siduva energia kohta. Siin on Mis on Bohri aatomimudel ?, Mis on John Daltoni aatomimudel ?, Mis on Plum Puddingi aatomimudel ?, Mis on aatommass? Ja Tuumasüntees tähtedes.
Kui soovite lisateavet siduva energia kohta, vaadake hüperfüüsika artiklit tuuma siduva energia kohta.
Samuti oleme salvestanud terve episoodi astronoomiast, mis räägivad kõiki olulisi numbreid universumis. Kuulake siin, episood 45: olulised numbrid universumis.
Allikad:
- Vikipeedia - energia sidumine
- Hüperfüüsika - tuuma siduv energia
- Euroopa Tuumaühiskond - siduvat energiat
- Entsüklopeedia Britannica - siduv energia
