Έχετε ρίξει ποτέ μια ματιά σε ένα κομμάτι καυσόξυλου και είπατε στον εαυτό σας: «Ναι, αναρωτιέμαι πόση ενέργεια θα χρειαζόταν για να χωρίσουμε αυτό το πράγμα»; Οι πιθανότητες είναι, όχι, όχι, λίγοι άνθρωποι το κάνουν. Αλλά για τους φυσικούς, το να ρωτάς πόση ενέργεια χρειάζεται για να διαχωρίσεις κάτι στα συστατικά του είναι στην πραγματικότητα μια πολύ σημαντική ερώτηση.
Στον τομέα της φυσικής, αυτό είναι γνωστό ως δεσμευτική ενέργεια ή το ποσό της μηχανικής ενέργειας που θα χρειαζόταν για την αποσυναρμολόγηση ενός ατόμου στα ξεχωριστά μέρη του. Αυτή η έννοια χρησιμοποιείται από επιστήμονες σε πολλά διαφορετικά επίπεδα, τα οποία περιλαμβάνουν το ατομικό επίπεδο, το πυρηνικό επίπεδο, και στην αστροφυσική και τη χημεία.
Πυρηνική δύναμη:
Όπως γνωρίζει ο καθένας που θυμάται τη βασική χημεία ή τη φυσική τους, τα άτομα αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια γνωστά ως νουκλεόνια. Αυτά αποτελούνται από θετικά φορτισμένα σωματίδια (πρωτόνια) και ουδέτερα σωματίδια (νετρόνια) που είναι διατεταγμένα στο κέντρο (στον πυρήνα). Περιβάλλονται από ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα και είναι διατεταγμένα σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας.
Ο λόγος για τον οποίο τα υποατομικά σωματίδια που έχουν θεμελιωδώς διαφορετικά φορτία είναι σε θέση να υπάρχουν τόσο κοντά μεταξύ τους είναι η παρουσία ισχυρής πυρηνικής δύναμης - μιας θεμελιώδους δύναμης του σύμπαντος που επιτρέπει στα υποατομικά σωματίδια να προσελκύονται σε μικρές αποστάσεις. Αυτή η δύναμη εξουδετερώνει την απωθητική δύναμη (γνωστή ως Δύναμη Coulomb) που αναγκάζει τα σωματίδια να απωθούν μεταξύ τους.
Επομένως, οποιαδήποτε απόπειρα διαίρεσης του πυρήνα στον ίδιο αριθμό ελεύθερων μη δεσμευμένων νετρονίων και πρωτονίων - έτσι ώστε να είναι αρκετά μακριά / απομακρυσμένα μεταξύ τους ώστε η ισχυρή πυρηνική δύναμη να μην μπορεί πλέον να προκαλέσει την αλληλεπίδραση των σωματιδίων - θα απαιτήσει αρκετή ενέργεια για να σπάσει αυτούς τους πυρηνικούς δεσμούς.
Έτσι, η δεσμευτική ενέργεια δεν είναι μόνο η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη διάσπαση ισχυρών δεσμών πυρηνικής δύναμης, αλλά είναι επίσης ένα μέτρο της ισχύος των δεσμών που συγκρατούν τα νουκλεόνια μεταξύ τους.
Πυρηνική σχάση και σύντηξη:
Για να διαχωριστούν τα νουκλεόνια, πρέπει να παρέχεται ενέργεια στον πυρήνα, ο οποίος συνήθως επιτυγχάνεται με βομβαρδισμό του πυρήνα με σωματίδια υψηλής ενέργειας. Στην περίπτωση βομβαρδισμού βαριών ατομικών πυρήνων (όπως άτομα ουρανίου ή πλουτωνίου) με πρωτόνια, αυτό είναι γνωστό ως πυρηνική σχάση.
Ωστόσο, η δεσμευτική ενέργεια παίζει επίσης ρόλο στην πυρηνική σύντηξη, όπου οι ελαφροί πυρήνες μαζί (όπως άτομα υδρογόνου), συνδέονται μεταξύ τους υπό συνθήκες υψηλής ενέργειας. Εάν η δεσμευτική ενέργεια για τα προϊόντα είναι υψηλότερη όταν οι πυρήνες είναι ελαφροί, ή όταν διασπώνται οι βαριοί πυρήνες, οποιαδήποτε από αυτές τις διαδικασίες θα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση της «επιπλέον» δεσμευτικής ενέργειας. Αυτή η ενέργεια αναφέρεται ως πυρηνική ενέργεια ή χαλαρά ως πυρηνική ενέργεια.
Παρατηρείται ότι η μάζα οποιουδήποτε πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των επιμέρους συστατικών νουκλεονίων που το συνθέτουν. Η «απώλεια» μάζας που προκύπτει όταν τα νουκλεόνια χωρίζονται για να σχηματίσουν μικρότερο πυρήνα ή συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μεγαλύτερο πυρήνα, αποδίδεται επίσης σε μια δεσμευτική ενέργεια. Αυτή η μάζα που λείπει μπορεί να χαθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας με τη μορφή θερμότητας ή φωτός.
Μόλις το σύστημα κρυώσει σε κανονικές θερμοκρασίες και επιστρέψει στις καταστάσεις γείωσης ως προς τα επίπεδα ενέργειας, απομένει λιγότερη μάζα στο σύστημα. Σε αυτήν την περίπτωση, η αφαιρεθείσα θερμότητα αντιπροσωπεύει ακριβώς τη μάζα «έλλειμμα» και η ίδια η θερμότητα διατηρεί τη μάζα που χάθηκε (από την άποψη του αρχικού συστήματος). Αυτή η μάζα εμφανίζεται σε οποιοδήποτε άλλο σύστημα που απορροφά τη θερμότητα και κερδίζει θερμική ενέργεια.
Τύποι δεσμευτικής ενέργειας:
Ακριβώς μιλώντας, υπάρχουν διάφοροι τύποι δεσμευτικής ενέργειας, η οποία βασίζεται στο συγκεκριμένο πεδίο μελέτης. Όσον αφορά τη φυσική των σωματιδίων, η δεσμευτική ενέργεια αναφέρεται στην ενέργεια που ένα άτομο προέρχεται από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και είναι επίσης η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την αποσυναρμολόγηση ενός ατόμου σε ελεύθερους νουκλεόντες.
Στην περίπτωση αφαίρεσης ηλεκτρονίων από ένα άτομο, ένα μόριο ή ένα ιόν, η απαιτούμενη ενέργεια είναι γνωστή ως «ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων» (γνωστός και ως δυναμικό ιονισμού). Γενικά, η ενέργεια δέσμευσης ενός μόνο πρωτονίου ή νετρονίου σε έναν πυρήνα είναι περίπου ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια δέσμευσης ενός μόνο ηλεκτρονίου σε ένα άτομο.
Στην αστροφυσική, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον όρο «βαρυτική ενέργεια δέσμευσης» για να αναφερθούν στην ποσότητα ενέργειας που θα χρειαζόταν για να αποσπάσει (μέχρι το άπειρο) ένα αντικείμενο που συγκρατούσε μόνο η βαρύτητα - δηλαδή οποιοδήποτε αστρικό αντικείμενο όπως ένα αστέρι, ένας πλανήτης ή ένα κομήτης. Αναφέρεται επίσης στην ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται (συνήθως με τη μορφή θερμότητας) κατά τη διάρκεια της αύξησης ενός τέτοιου αντικειμένου από υλικό που πέφτει από το άπειρο.
Τέλος, υπάρχει αυτό που είναι γνωστό ως ενέργεια «δεσμού», το οποίο είναι ένα μέτρο της αντοχής του δεσμού σε χημικούς δεσμούς, και είναι επίσης η ποσότητα ενέργειας (θερμότητα) που θα χρειαζόταν για να σπάσει μια χημική ένωση στα συστατικά της άτομα. Βασικά, η δεσμευτική ενέργεια είναι το ίδιο που ενώνει το Σύμπαν μας. Και όταν διασπώνται διάφορα μέρη του, είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την πραγματοποίησή της.
Η μελέτη της δεσμευτικής ενέργειας έχει πολλές εφαρμογές, μεταξύ των οποίων η πυρηνική ενέργεια, ο ηλεκτρισμός και η χημική κατασκευή. Και τα επόμενα χρόνια και δεκαετίες, θα είναι εγγενές στην ανάπτυξη της πυρηνικής σύντηξης!
Έχουμε γράψει πολλά άρθρα σχετικά με τη δεσμευτική ενέργεια για το Space Magazine. Εδώ είναι τι είναι το ατομικό μοντέλο του Bohr ;, Τι είναι το ατομικό μοντέλο του John Dalton ;, Τι είναι το ατομικό μοντέλο Plum Pudding Atomic ;, Τι είναι η ατομική μάζα ;, και η πυρηνική σύντηξη στα αστέρια.
Εάν θέλετε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη δεσμευτική ενέργεια, ανατρέξτε στο άρθρο Υπερφυσικής σχετικά με την Πυρηνική Δεσμευτική Ενέργεια.
Καταγράψαμε επίσης ολόκληρο το επεισόδιο του Cast Astronomy σχετικά με τους σημαντικούς αριθμούς στο σύμπαν. Ακούστε εδώ, επεισόδιο 45: Οι σημαντικοί αριθμοί στο σύμπαν.
Πηγές:
- Wikipedia - Δεσμευτική Ενέργεια
- Υπερφυσική - Πυρηνική Δεσμευτική Ενέργεια
- Ευρωπαϊκή Πυρηνική Εταιρεία - Δεσμευτική Ενέργεια
- Εγκυκλοπαίδεια Britannica - Δεσμευτική Ενέργεια
