NĂNG LƯỢNG LIêN KẾT Là Gì?

Send

Bạn đã bao giờ nhìn vào một mẩu củi và tự nói với mình, gee, tôi tự hỏi sẽ mất bao nhiêu năng lượng để tách thứ đó ra khỏi đường? Rất có thể, không có bạn thiên đường, ít người làm. Nhưng đối với các nhà vật lý, việc hỏi cần bao nhiêu năng lượng để tách một thứ gì đó thành các phần thành phần của nó thực sự là một câu hỏi khá quan trọng.

Trong lĩnh vực vật lý, đây là cái được gọi là năng lượng liên kết, hoặc lượng năng lượng cơ học cần có để tháo rời một nguyên tử thành các phần riêng biệt của nó. Khái niệm này được các nhà khoa học sử dụng ở nhiều cấp độ khác nhau, bao gồm cấp độ nguyên tử, cấp độ hạt nhân và trong vật lý thiên văn và hóa học.

Lực lượng hạt nhân:

Như bất cứ ai nhớ về hóa học hoặc vật lý cơ bản của họ chắc chắn đều biết, các nguyên tử được cấu tạo từ các hạt hạ nguyên tử được gọi là nucleon. Chúng bao gồm các hạt tích điện dương (proton) và hạt trung tính (neutron) được sắp xếp ở trung tâm (trong hạt nhân). Chúng được bao quanh bởi các electron quay quanh hạt nhân và được sắp xếp theo các mức năng lượng khác nhau.

Lý do tại sao các hạt hạ nguyên tử có điện tích cơ bản khác nhau có thể tồn tại rất gần nhau là do sự hiện diện của Lực hạt nhân mạnh - một lực cơ bản của vũ trụ cho phép các hạt hạ nguyên tử bị thu hút ở khoảng cách ngắn. Chính lực này chống lại lực đẩy (được gọi là Lực Coulomb) làm cho các hạt đẩy nhau.

Do đó, bất kỳ nỗ lực nào để phân chia hạt nhân thành cùng số lượng neutron và proton không liên kết tự do - để chúng ở xa / xa nhau đến mức lực hạt nhân mạnh không còn có thể khiến các hạt tương tác - sẽ cần đủ năng lượng để phá vỡ những liên kết hạt nhân này.

Do đó, năng lượng liên kết không chỉ là lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết lực hạt nhân mạnh, nó còn là thước đo sức mạnh của các liên kết giữ các hạt nhân lại với nhau.

Phân hạch và hợp nhất hạt nhân:

Để tách các hạt nhân, năng lượng phải được cung cấp cho hạt nhân, điều này thường được thực hiện bằng cách bắn phá hạt nhân bằng các hạt năng lượng cao. Trong trường hợp bắn phá hạt nhân nguyên tử nặng (như nguyên tử uranium hoặc plutonium) bằng proton, đây được gọi là phân hạch hạt nhân.

Tuy nhiên, năng lượng liên kết cũng đóng một vai trò trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, nơi các hạt nhân ánh sáng với nhau (như nguyên tử hydro), liên kết với nhau dưới trạng thái năng lượng cao. Nếu năng lượng liên kết cho các sản phẩm cao hơn khi cầu chì hạt nhân nhẹ hoặc khi hạt nhân nặng tách ra, một trong hai quá trình này sẽ dẫn đến việc giải phóng năng lượng liên kết bổ sung. Năng lượng này được gọi là năng lượng hạt nhân, hay lỏng lẻo là năng lượng hạt nhân.

Người ta quan sát thấy rằng khối lượng của bất kỳ hạt nhân nào luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân cấu thành riêng lẻ tạo nên nó. Sự mất mát của khối lượng lớn, kết quả khi các hạt nhân bị tách ra để tạo thành hạt nhân nhỏ hơn hoặc hợp nhất để tạo thành một hạt nhân lớn hơn, cũng được quy cho một năng lượng liên kết. Khối lượng bị thiếu này có thể bị mất trong quá trình ở dạng nhiệt hoặc ánh sáng.

Một khi hệ thống nguội đi ở nhiệt độ bình thường và trở về trạng thái cơ bản về mức năng lượng, hệ thống sẽ còn ít khối lượng hơn. Trong trường hợp đó, nhiệt lượng bị loại bỏ thể hiện chính xác khối lượng thâm hụt khối lượng, và chính nhiệt giữ lại khối lượng đã mất (theo quan điểm của hệ thống ban đầu). Khối lượng này xuất hiện trong bất kỳ hệ thống nào khác hấp thụ nhiệt và thu được năng lượng nhiệt.

Các loại năng lượng liên kết:

Nói đúng ra, có một số loại năng lượng liên kết khác nhau, dựa trên lĩnh vực nghiên cứu cụ thể. Khi nói đến vật lý hạt, năng lượng liên kết đề cập đến năng lượng mà một nguyên tử bắt nguồn từ tương tác điện từ và cũng là lượng năng lượng cần thiết để tháo rời một nguyên tử thành các hạt nhân tự do.

Trong trường hợp loại bỏ các electron khỏi nguyên tử, phân tử hoặc ion, năng lượng cần thiết được gọi là năng lượng liên kết electron electron (hay còn gọi là thế năng ion hóa). Nói chung, năng lượng liên kết của một proton hoặc neutron đơn trong hạt nhân lớn hơn khoảng một triệu lần so với năng lượng liên kết của một electron trong nguyên tử.

Trong vật lý thiên văn, các nhà khoa học sử dụng thuật ngữ năng lượng liên kết hấp dẫn, dùng để chỉ lượng năng lượng cần thiết để kéo ra (đến vô cực) một vật thể được giữ bằng trọng lực một mình - tức là bất kỳ vật thể sao nào như một ngôi sao, một hành tinh hoặc một sao chổi. Nó cũng đề cập đến lượng năng lượng được giải phóng (thường ở dạng nhiệt) trong quá trình bồi tụ một vật thể như vậy từ vật chất rơi xuống từ vô cực.

Cuối cùng, có một năng lượng được gọi là năng lượng trái phiếu, là thước đo sức mạnh liên kết trong liên kết hóa học và cũng là lượng năng lượng (nhiệt) cần để phá vỡ một hợp chất hóa học thành các nguyên tử cấu thành của nó. Về cơ bản, năng lượng ràng buộc là thứ gắn kết Vũ trụ của chúng ta lại với nhau. Và khi các phần khác nhau của nó bị phá vỡ, đó là lượng năng lượng cần thiết để thực hiện nó.

Nghiên cứu về năng lượng liên kết có rất nhiều ứng dụng, trong đó ít nhất là năng lượng hạt nhân, điện và sản xuất hóa chất. Và trong những năm và thập kỷ tới, nó sẽ là nội tại trong sự phát triển của phản ứng tổng hợp hạt nhân!

Chúng tôi đã viết nhiều bài viết về năng lượng ràng buộc cho Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, mô hình nguyên tử Bohr là gì?, Mô hình nguyên tử của John Dalton là gì?, Mô hình nguyên tử Plum Pudding là gì?, Khối lượng nguyên tử là gì?, Và sự kết hợp hạt nhân trong các vì sao.

Nếu bạn thích thêm thông tin về năng lượng liên kết, hãy xem bài viết của Hyperphysics về Năng lượng liên kết hạt nhân.

Chúng tôi cũng đã ghi lại toàn bộ tập phim Thiên văn học đúc tất cả về những con số quan trọng trong vũ trụ. Nghe ở đây, Tập 45: Những con số quan trọng trong vũ trụ.

Nguồn: