Energie de legătură

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea referitoare la energia legăturilor chimice , consultați Entalpia legăturilor .
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea cu referire la agenți chimici de energie de disociere de obligațiuni , a se vedea Bond energia de disociere .

În fizică și chimie , energia de legare este energia necesară pentru a menține părțile unui sistem compus împreună.

Energie de legare și energie de disociere

Într-un sistem legat, energia totală este mai mică decât cea a elementelor care îl compun și, prin urmare, energia de legare (din engleză: Binding Energy ) este prin definiție negativ ( ). Energia de disociere este în schimb energia care trebuie furnizată sistemului pentru a depăși forțele care îl țin împreună ( ). Prin urmare, energia de legare și energia de disociere sunt egale ca mărime, dar opuse în semn: [1]

Tipuri de energii de legare

Fiecare corp are în general energia sa de legare, dată de energia disocierii: adică corpul este considerat ca un set de particule și se găsește (având în vedere fiecare tip de forță) cea necesară pentru a extinde infinit particulele pe care le face sus.

în succesiune de la cel mai slab la cel mai puternic:

  1. Gravitațional . În astrofizică , energia de legare a unui corp ceresc este energia necesară pentru a menține părțile sale împreună. Această energie este dată de interacțiunea gravitațională și ia numele de energie de legare gravitațională . Dacă un corp cu masa și raza Pământului ar fi compus doar din hidrogen atomic, energia de legare gravitațională ar fi -0,392 eV per atom. Dacă, pe de altă parte, steaua formată numai din hidrogen atomic ar avea masa și raza Soarelui , energia legăturii ar ajunge la -1.195.586 eV per atom.
  2. Moleculare . Într-o moleculă , energia de legare ține împreună atomii constitutivi prin intermediul legăturilor chimice . Energia chimică se manifestă în cursul disocierii moleculelor cu producția de căldură , ca în fenomenele de ardere , în explozii sau chiar în procese biologice . Energiile implicate sunt de obicei câteva volți de electroni pentru fiecare legătură chimică (legătura carbon-carbon este de aproximativ -3,6 eV).
  3. Atomic . Pentru un atom , energia de legare este dată de interacțiunea electromagnetică și se numește energie de legare atomică . Energia de disociere este energia de ionizare necesară pentru a separa nucleul atomic de electroni , plasându-i la o distanță astfel încât să nu interfereze unul cu celălalt. Energia de disociere pentru un atom de hidrogen în stare de bază este de 13.598 eV. Gama de energii de ionizare a elementelor chimice variază de la 3.894 eV pentru cel mai exterior electron al cesiului la 11.567.617 eV pentru cel mai interior electron al atomului de cupru .
  4. Nucleare . Pentru un nucleu atomic , energia de legare este energia necesară pentru a compune nucleul pornind de la protoni și neutroni unici. Această energie este dată de forța nucleară puternică , mediată de pioni , și se numește energie de legare nucleară . Energia de disociere este energia necesară separării constituenților nucleului , aducându-i la o distanță astfel încât să nu existe nicio interacțiune între ei. Energia de legare pe nucleon variază de la -2,2245 MeV pentru deuteriu ( 2 H sau H - 2) (2 nucleoni ) până la -8,7945 MeV pentru nichel –62 (62 nucleoni ).
  5. Subnucleare . Energia este cea care leagă diferiții quarcuri dintr-un hadron . După cum a prezis QCD ( cromodinamica cuantică ), este generat de interacțiunea nucleară puternică , mediată de gluoni . Această energie de legare este responsabilă pentru 99% din masa nucleonilor .

Defect de masă

Într-un sistem legat, energia totală este mai mică decât cea a elementelor care o compun. În timpul formării unui sistem legat, diferența se eliberează sub forma energiei purtate de unde (de obicei electromagnetice , gravitaționale în cazul prăbușirii găurilor negre ).

Conform legii lui Albert Einstein privind conservarea energiei-masă , masa acesteia trebuie să fie, prin urmare, mai mică decât suma maselor componentelor. Motivul acestei diferențe de masă, care se numește defect de masă , depinde de faptul că sistemul are nevoie de o energie de legare (negativă) pentru a-și menține părțile împreună.

Energia de legare (atomică, moleculară, nucleară, subnucleară, gravitațională) este dată de produsul dintre defectul de masă de ori pătratul vitezei luminii în vid: [2]

Rețineți că ambele cantități Și sunt negative.

De exemplu, în dezintegrările radioactive

energia de disociere ( valoarea Q ) se transformă în energie cinetică K a produselor de descompunere. Corespunde diferenței de masă dintre nucleul inițial și produsele de descompunere, înmulțită cu c 2 :

Energie de legare nucleară

Energie de legătură per nucleon. Cele mai stabile nuclee sunt cele ale vârfului (curba roșie). Cei care sunt prea grei (dincolo de linia albastră) suferă descompuneri alfa spontane, până la atingerea liniei de demarcație pentru emisia alfa. Valorile raportate sunt pozitive deoarece cantitatea este reprezentată

Energia de legare nucleară este energia responsabilă de stabilitatea nucleului, care depinde de numărul de protoni în raport cu numărul de neutroni: dacă numărul de neutroni este prea mic sau prea mare, nucleul este instabil și se dezintegrează radioactiv .

Pentru un nucleu atomic, masa măsurată este mai mică decât suma maselor protonilor și neutronilor săi: numiți Z și N, respectiv numărul de protoni și neutroni prezenți, avem:

După cum sa menționat, energia de legare este dată de produsul dintre defectul de masă și pătratul vitezei luminii în vid:

În tabelul periodic al elementelor , energia de legare crește (în valoare absolută) pe măsură ce masa atomică crește până ajunge la regiunea mai stabilă, în secvența dintre magneziu și xenon : odată cu creșterea suplimentară a dimensiunilor nucleare, energia legăturii scade. Împărțind valoarea absolută a energiei de legare a nucleului la numărul de nucleoni (A = Z + N) obținem energia medie de legare pentru fiecare nucleon, a cărei valoare maximă se găsește în nichel 62. [3]

Formula semiempirică a lui Bethe-Weizsäcker

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: formula lui Weizsäcker .

Pentru un nucleu care conține nucleoni A, dintre care Z sunt protoni, există o formulă semiempirică pentru energia de legare, datorată fizicianului Carl Friedrich von Weizsäcker :

unde energia de legare (a se vedea nota următoare) se măsoară în MeV pentru următoarele valori constante:





.

Primul termen reprezintă energia datorată interacțiunii dintre doi nucleoni vecini, al doilea termen, proporțional cu suprafața nucleului, este o corecție față de primul, al treilea se datorează repulsiei electrostatice, al patrulea ia în considerare stabilitatea nucleul datorită simetriei dintre protoni și neutroni, în timp ce ultimul termen este dat de „împerecherea” spinurilor și este zero pentru A impar.

Conform unei convenții utilizate în fizica nucleară , formula Bethe-Weizsäcker calculează o valoare pozitivă ( ) a energiei de legare . Masa unui nucleu atomic este dată în acest caz de:

Masele și energiile atomice și nucleare

Experimental, date fiind valorile

  • m p = 938,2723 MeV / c 2
  • m e = 0,5110 MeV / c 2
  • m n = 939,5656 MeV / c 2
  • 1 u = 1 uma = 931,494028 (± 0,000023) MeV / c 2

pentru nucleele a căror energie de legare este mai mare, s-au găsit următoarele rezultate:

nucleu P. Nu. exces de masă [4] masa totală masa totală / A energie de legare totală / A defect de masă energie de legătură energie de legare / A
56 Fe 26 30 -60.6054 MeV 55.934937 u 0,9988382 u 9,1538 MeV 0,528479 u 492.275 MeV 8,7906 MeV
58 Fe 26 32 -62.1534 MeV 57.933276 u 0,9988496 u 9.1432 MeV 0,547471 u 509.966 MeV 8,7925 MeV
60 Ni 28 32 -64,4721 MeV 59.930786 u 0,9988464 u 9.1462 MeV 0,565612 u 526,864 MeV 8,7811 MeV
62 Ni 28 34 -66.7461 MeV 61.928345 u 0,9988443 u 9.1481 MeV 0,585383 u 545.281 MeV 8,7948 MeV

În plus, pentru unele nuclee ușoare avem:

nucleu P. Nu. exces de masă [4] masa totală masa totală / A energie de legare totală / A defect de masă energie de legătură energie de legare / A
n 0 1 8.0716 MeV 1.008665 u 1.008665 u 0,0000 MeV 0 u 0 MeV 0 MeV
1 H 1 0 7,2890 MeV 1.007825 u 1.007825 u 0,7826 MeV 0,0000000146 u 0,0000136 MeV 13,6 eV
2 H 1 1 13.13572 MeV 2.014102 u 1.007051 u 1,50346 MeV 0,002388 u 2.22452 MeV 1.11226 MeV
3 H 1 2 14,9498 MeV 3.016049 u 1.005350 u 3,08815 MeV 0,0091058 u 8,4820 MeV 2,8273 MeV
3 El 2 1 14,9312 MeV 3.016029 u 1.005343 u 3,09433 MeV 0,0082857 u 7,7181 MeV 2,5727 MeV

Notă

  1. ^ Binding Energy , pe chimicamo.org . Adus la 11 aprilie 2020 .
  2. ^ R. Eisberg, R. Resnick, Fizica cuantică a atomilor, moleculelor, solidelor, nucleelor ​​și particulelor , John Wiley & Sons, New York 1985 , p. 524, ISBN 047187373X .
  3. ^ MP Fewell, nuclidul atomic cu cea mai mare energie medie de legare , în American Journal of Physics , vol. 63, nr. 7, 1995, pp. 653–658, DOI : 10.1119 / 1.17828 .
  4. ^ a b Jagdish K. Tuli, Nuclear Wallet Cards, ediția a VII-a, aprilie 2005, Laboratorul Național Brookhaven, Centrul Național de Date Nucleare din SUA.

linkuri externe

Controlul autorității GND ( DE ) 4145565-4