Zasada minimum energii potencjalnej - Polski Serwis Naukowy

Zasada minimum energii potencjalnej - zasada, zgodnie z którą układy fizyczne w przyrodzie dążą do osiągnięcia stanu o minimalnej energii potencjalnej. Chodzi tu o osiągnięcie minimum lokalnego, nie zaś globalnego.

Zasada minimum energii potencjalnej jest wyznacznikiem kierunku procesów zachodzących w układach fizycznych. Zgodnie z nią dowolny układ będzie zmniejszał swoją energię potencjalną zawsze, gdy tylko będzie to możliwe, tzn. gdy będzie miał możliwość oddania nadmiaru energii oraz gdy nie będą na niego działały zbyt duże zakłócenia, uniemożliwiające ten proces.

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

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.

Stan, w którym układ osiągnął minimum energii potencjalnej, jest stanem równowagi stabilnej – oznacza to, że aby wytrącić z niego układ, potrzebne jest podziałanie na ten układ zakłóceniem o pewnej minimalnej wartości. I tak np. do rozszczepienia jądra atomowego potrzebna jest minimalna energia, zwana energią wiązania.

Energia potencjalna – energia jaką ma układ ciał umieszczony w polu sił zachowawczych [1], wynikająca z rozmieszczenia tych ciał. Równa jest pracy, jaką trzeba wykonać, aby uzyskać daną konfigurację ciał, wychodząc od innego rozmieszczenia, dla którego umownie przyjmuje się jej wartość równą zero[2]. Konfigurację odniesienia dla danego układu fizycznego dobiera się zazwyczaj w ten sposób, aby układ miał w tej konfiguracji minimum energii potencjalnej. Podobnie jak pracę, energię potencjalną mierzy się w dżulach [J].

Joseph Louis Lagrange (wł. Giuseppe Lodovico (Luigi) Lagrangia, ur. 25 stycznia 1736 r. w Turynie, zm. 10 kwietnia 1813 r. w Paryżu) – matematyk i astronom włoskiego pochodzenia, ale pracujący we Francji i przez dwadzieścia lat w Berlinie dla króla pruskiego Fryderyka II.

Stan o minimalnej energii potencjalnej jest przeciwstawny stanowi, w którym układ osiągnął maksimum energii potencjalnej, przy czym znów chodzi tu o osiągnięcie maksimum lokalnego. Stan taki jest stanem równowagi chwiejnej, co oznacza, że aby wytrącić układ z takiego stanu równowagi, potrzebne jest podziałanie na ten układ zakłóceniem o dowolnie małej wartości. Właśnie dlatego układów w takim stanie nie obserwujemy w przyrodzie.

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.

Sieć krystaliczna - sposób wypełnienia atomami przestrzeni tak, że pewna konfiguracja atomów zwana komórką elementarną jest wielokrotnie powtarzana.

Przykłady i zastosowania

Zgodnie z zasadą minimum energii potencjalnej kamień stacza się w dół, a nie toczy się pod górkę, gdyż tylko w pierwszym przypadku zmniejsza on swoją energię potencjalną.

Zasada minimum energii potencjalnej określa strukturę materii. Aby zmniejszyć energię potencjalną, protony i neutrony łączą się, tworząc jądro atomowe, jądro atomowe zaś otacza się elektronami, tworząc atom. Z atomów powstają cząsteczki, których konfiguracja o najmniejszej energii prowadzi do utworzenia się sieci krystalicznej.

Podobnie atom sodu zbliża się do atomu chloru na pewną odległość $x_0\,$ , przy której układ tych dwóch atomów ma minimum energii potencjalnej, tworząc w ten sposób wiązanie jonowe.

Dzięki zastosowaniu zasady minimum energii potencjalnej oraz metod rachunku wariacyjnego francuski matematyk J.L Lagrange wyprowadził równania, nazwane później równaniami Lagrange'a. Mają one kluczowe znaczenie w mechanice analitycznej.