Energia wiązania - Polski Serwis Naukowy

Energia wiązania – energia potrzebna do rozdzielenia układu na jego elementy składowe i oddalenia ich od siebie tak, by przestały ze sobą oddziaływać.

W przypadku cząsteczki chemicznej całkowita energia wiązania (nazywana również energią atomizacji) jest energią potrzebną do rozbicia izolowanej cząsteczki na swobodne atomy; pojęcie to jest używane znacznie rzadziej, niż energia wiązania chemicznego odniesiona do dwóch określonych fragmentów cząsteczki (atomów lub grup funkcyjnych) połączonych wiązaniem chemicznym.

Liczba masowa (A) to wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego izotopu.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

W fizyce jądrowej pojęcie energii wiązania odnosi się do jądra atomowego.

Energia wiązania jądra atomowego

Energia wiązania jądra atomowego określa energię potrzebną do rozdzielenia jądra atomowego na protony i neutrony. Energia wiązania jest ważnym kryterium decydującym o trwałości jądra atomowego.

W związku z równoważnością masy i energii, energię wiązania można obliczyć na podstawie różnicy między masą jądra a łączną masą tworzących je nukleonów.

Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny, z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4·10-7% w górnych warstwach atmosfery).

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Energia wiązania na jeden nukleon w zależności od liczby nukleonów w jądrze

Wykres energii wiązania na nukleon od liczby nukleonów w jądrze, czyli od liczby masowej A, jest krzywą, która szybko narasta dla małych liczb masowych, a stopniowo opada dla dużych. Wynika stąd, że dla pierwiastków lekkich (o małej liczbie masowej) syntezie nukleonów jąder towarzyszy wydzielanie się energii, zaś w przypadku pierwiastków ciężkich (o dużej liczbie masowej) wydzielanie energii towarzyszy rozszczepianiu, czyli podziałowi jąder. Z tego również powodu jądra pierwiastków lekkich charakteryzują się dużą trwałością, zaś jądra pierwiastków ciężkich mają tendencję do rozpadu. Reakcje jądrowe łączenia jąder przeprowadzane tak, aby uzyskać wyraźny wzrost energii wiązania, mogą być obfitym źródłem energii jądrowej. Reakcje syntezy lekkich jąder (np. synteza helu). W przypadku reakcji rozpadu lub rozszczepienia energia wiązania jądra musi być mniejsza niż energia wiązania produktów reakcji (np. rozpad uranu).

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Fizyka jądrowa – dział fizyki zajmujący się badaniem budowy i przemian jądra atomowego. Zajmuje się badaniami doświadczalnymi, teoretycznymi oraz zastosowaniem techniki jądrowej.

Z wykresu wynika również, że największą energię wiązania na nukleon ma jądro atomu żelaza. Jest to przyczyną względnie dużej obfitości żelaza we Wszechświecie (więcej zobacz: Częstość występowania pierwiastków we Wszechświecie)

Energia wiązania deuteru

Jądro deuteru zbudowane jest z jednego protonu i jednego neutronu. Ich masy wynoszą odpowiednio: $m_{p} = 1,007276 \ \text {u}$ $m_{n}= 1,008665 \ \text {u}$ $m_{p} + m_{n} = 1,007276 \ \text {u} + 1,008665 \ \text {u} = 2,015941 \ \text {u}$

gdzie: u jest jednostką masy atomowej

Energia wiązania chemicznego - najmniejsza energia potrzebna do rozerwania wiązania chemicznego. Energię wiązań wyraża się najczęściej w jednostkach kJ/mol.

Równoważność masy i energii jest jednym z najważniejszych wniosków ze szczególnej teorii względności. Wyraża się on przez jeden z najsłynniejszych wzorów w historii ludzkości:

$1 \ \text {u} =931,4943\ \text {MeV c}^{-2}=1,6605 10^{-27} \ \text {kg}$

Masa jądra deuteru wynosi: $m_{d} = 2,013553 \ \text {u} \$

Różnica tych mas: $\Delta m = (m_{p} + m_{n}) - m_{d} = 2,015941 \ \text {u} - 2,013553 \ \text {u} = 0,002388 \ \text {u}$

zaś energia wiązania deuteru, obliczona na podstawie równoważności masy i energii: $\Delta E = \Delta m \ c^2 = 0,002388 \cdot 931,494 \ \text {MeV} = 2,224 \ \text {MeV}$

Energia wiązania jądra sodu

Atom jedynego trwałego izotopu sodu 2311Na ma w jądrze 11 protonów i 12 neutronów. masa protonu wynosi: $m_{p} = 1,007276 \ \text {u}$ masa neutronu wynosi: $m_{n}= 1,008665 \ \text {u}$

Suma mas składników jądra:

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

Energią jonizacji Ej pierwiastka nazywa się minimum energii, jaką należy użyć, by oderwać elektron od atomu tego pierwiastka w stanie gazowym. Energia jonizacji obojętnych atomów zależy od liczby atomowej i waha się w granicach od kilku do dwudziestu kilku eV. Jest ona równa energii najsłabiej związanego elektronu walencyjnego. Z rysunku widać, że największą energię jonizacji mają neutralne atomy gazów szlachetnych, co jest związane z faktem, że pierwiastki te mają zapełnione powłoki walencyjne. Najniższą energię jonizacji mają pierwiastki z pierwszej grupy układu okresowego posiadające na powłoce walencyjnej jeden elektron.

$m_{sum} = 11 m_p + 12 m_n = 23,184016 \ \text {u}$

Wyznaczona doświadczalnie masa atomowa sodu wynosi 22,989770 u, z czego ok. 0,006034 u to masa jedenastu elektronów, zatem pozostająca masa samego jądra: $m_{j} = 22,989770 \ \text {u} - 0,006034 \ \text {u} = 22,983736 \ \text {u}$

Różnica między rzeczywistą masą jądra a sumą mas jego składników wynosi zatem: $m_{sum} - m_{j} = 23,184016 \ \text {u} - 22,983736 \ \text {u} = 0,20028 \ \text {u}$

Energia wiązania jądra sodu wynosi więc: $\Delta E = 0,20028 \cdot 931,494 \ \text {MeV} = 186,5596 \ \text {MeV}$

Energia wiązania w przeliczeniu na nukleon:

Energia jądrowa to energia wydzielana podczas przemian jądrowych. Uwalnianie się energii podczas tych przemian związane jest z różnicami w energii wiązania poszczególnych jąder atomowych.

Masa – jedna z podstawowych . W szczególnej teorii względności związana z ilością energii zawartej w obiekcie fizycznym. Najczęściej oznaczana literą m.

$186,559 \ \text {MeV} / 23 = 8,1113 \ \text {MeV}$

Zobacz też

energia jonizacji

energia jądrowa