В физике и химии энергия связи — это наименьшее количество энергии, необходимое для удаления частицы из системы частиц или для разборки системы частиц на отдельные части. [1] В первом значении этот термин в основном используется в физике конденсированного состояния, атомной физике и химии, тогда как в ядерной физике используется термин энергия разделения . Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, чем ее несвязанные составляющие. Согласно теории относительности, уменьшение общей энергии системы на Δ E сопровождается уменьшением общей массы на Δ m , где Δ mc 2 = Δ E . [2]
Существует несколько типов энергии связи, каждый из которых действует на разных расстояниях и энергетических масштабах. Чем меньше размер связанной системы, тем выше ее соответствующая энергия связи.
Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, чем ее несвязанные составляющие, поскольку ее масса должна быть меньше общей массы ее несвязанных составляющих. Для систем с низкой энергией связи эта «потерянная» масса после связывания может быть дробно малой, тогда как для систем с высокой энергией связи недостающая масса может быть легко измеримой долей. Эта недостающая масса может быть потеряна в процессе связывания в виде энергии в форме тепла или света, причем удаленная энергия соответствует удаленной массе через уравнение Эйнштейна E = mc2 . В процессе связывания составляющие системы могут войти в более высокие энергетические состояния ядра/атома/молекулы, сохраняя при этом свою массу, и из-за этого необходимо, чтобы они были удалены из системы до того, как ее масса сможет уменьшиться. Как только система остынет до нормальных температур и вернется в основные состояния относительно уровней энергии, она будет содержать меньше массы, чем когда она впервые объединилась и была при высокой энергии. Эта потеря тепла представляет собой «дефицит массы», и само тепло сохраняет массу, которая была потеряна (с точки зрения исходной системы). Эта масса появится в любой другой системе, которая поглощает тепло и получает тепловую энергию. [8]
Например, если два объекта притягиваются друг к другу в пространстве через свое гравитационное поле , сила притяжения ускоряет объекты, увеличивая их скорость, что преобразует их потенциальную энергию (гравитацию) в кинетическую энергию. Когда частицы либо проходят друг сквозь друга без взаимодействия, либо упруго отталкиваются во время столкновения, полученная кинетическая энергия (связанная со скоростью) начинает превращаться в потенциальную энергию, раздвигая столкнувшиеся частицы. Замедляющиеся частицы вернутся на исходное расстояние и дальше в бесконечность, либо остановятся и повторят столкновение (происходит колебание). Это показывает, что система, которая не теряет энергию, не объединяется (не связывается) в твердый объект, части которого колеблются на коротких расстояниях. Поэтому, чтобы связать частицы, кинетическая энергия, полученная из-за притяжения, должна быть рассеяна силой сопротивления. Сложные объекты при столкновении обычно подвергаются неупругому столкновению , преобразуя некоторую кинетическую энергию во внутреннюю энергию (тепловое содержание, которое является атомным движением), которая далее излучается в виде фотонов — света и тепла. Как только энергия, необходимая для выхода из гравитации, рассеивается при столкновении, части будут колебаться на более близком, возможно, атомном расстоянии, таким образом, выглядя как один твердый объект. Эта потерянная энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера для разделения объектов, является энергией связи. Если бы эта энергия связи сохранялась в системе в виде тепла, ее масса не уменьшилась бы, тогда как энергия связи, потерянная из системы в виде теплового излучения, сама имела бы массу. Она напрямую представляет собой «дефицит массы» холодной, связанной системы.
Близкие аналогичные соображения применимы к химическим и ядерным реакциям. Экзотермические химические реакции в закрытых системах не изменяют массу, но становятся менее массивными после удаления тепла реакции, хотя это изменение массы слишком мало для измерения стандартным оборудованием. В ядерных реакциях доля массы, которая может быть удалена в виде света или тепла, т. е. энергия связи, часто составляет гораздо большую долю массы системы. Таким образом, ее можно измерить напрямую как разницу масс между массами покоя реагентов и (охлажденных) продуктов. Это происходит потому, что ядерные силы сравнительно сильнее кулоновских сил, связанных с взаимодействиями между электронами и протонами, которые генерируют тепло в химии.
Изменение (уменьшение) массы в связанных системах, в частности атомных ядрах, также называется дефектом массы , дефицитом массы или фракцией упаковки массы . [ необходима ссылка ]
Разность между рассчитанной массой несвязанной системы и экспериментально измеренной массой ядра (изменение массы) обозначается как Δ m . Ее можно рассчитать следующим образом:
После того, как происходит ядерная реакция, которая приводит к возбужденному ядру, энергия, которая должна быть излучена или иным образом удалена как энергия связи для распада в невозбужденное состояние, может быть в одной из нескольких форм. Это могут быть электромагнитные волны, такие как гамма-излучение ; кинетическая энергия выброшенной частицы, такой как электрон, при внутреннем конверсионном распаде; или частично как масса покоя одной или нескольких испущенных частиц, таких как частицы бета-распада . Никакой дефицит массы не может возникнуть, в теории, пока это излучение или эта энергия не будут испущены и больше не будут частью системы.
Когда нуклоны связываются вместе, образуя ядро, они должны потерять небольшое количество массы, т. е. происходит изменение массы, чтобы оставаться связанными. Это изменение массы должно быть высвобождено в виде различных типов фотонов или другой энергии частиц, как указано выше, в соответствии с соотношением E = mc 2 . Таким образом, после удаления энергии связи энергия связи = изменение массы × c 2 . Эта энергия является мерой сил, которые удерживают нуклоны вместе. Она представляет собой энергию, которая должна быть пополнена из окружающей среды для того, чтобы ядро было разбито на отдельные нуклоны.
Например, атом дейтерия имеет дефект массы 0,0023884 Да, а его энергия связи почти равна 2,23 МэВ. Это означает, что для распада атома дейтерия требуется энергия 2,23 МэВ.
Энергия, выделяемая во время ядерного синтеза или ядерного деления, представляет собой разницу энергий связи «топлива», т. е. исходного нуклида(ов), и энергии продуктов деления или синтеза. На практике эта энергия может быть также рассчитана из существенной разницы масс между топливом и продуктами, что использует предыдущие измерения атомных масс известных нуклидов, которые всегда имеют одинаковую массу для каждого вида. Эта разница масс появляется после удаления выделяющегося тепла и излучения, что требуется для измерения (покоящихся) масс (невозбужденных) нуклидов, участвующих в таких расчетах.