Бөлшектерді байланыстыратын энергия түрлері

Кіріспе

Физика мен химияда байланысу энергиясы – бөлшектер жиынтығынан бір бөлшекті алып тастауға немесе бөлшектер жиынтығын жеке бөліктерге таратуға қажетті ең аз энергия мөлшері. Бұл мағынада термин көбінесе конденсирленген заттар физикасында, атом физикасында және химияда қолданылады, ал ядролық физикада – ажырату энергиясы термині қолданылады. Байланыс екі бөлшектің бірігуіне де қатысты болуы мүмкін, мысалы, фагоцитоз және патогеннің бірігуі (байланысуы), нәтижесінде фагоцитоз патогенді жояды. Байланысқан жүйе әдетте оның байланыспаған құрамдас бөліктерінен төмен энергия деңгейінде болады. Релятивистік теорияға сәйкес, жүйенің жалпы энергиясының ΔE төмендеуіне жүйенің жалпы массасының Δm төмендеуі сүйемелдейді, мұнда 1=Δmc^(2) = ΔE.

Байланыс энергиясының түрлері

Байланыс энергиясының бірнеше түрі бар, олардың әрқайсысы әртүрлі қашықтық және энергия масштабында жұмыс істейді. Байланысты жүйенің мөлшері неғұрлым кіші болса, оның байланысу энергиясы соғұрлым жоғары болады. ТүрСипаттамаМысалДенгейГравитациялық байланысу энергиясыАспан денелері сияқты нысанның гравитациялық байланысу энергиясы – материалды шексіздікке дейін кеңейту үшін қажетті энергия. Егер Жердің массасы мен радиусы бар дене тек сутек-1-ден тұрса, онда оның гравитациялық байланысу энергиясы атомға шамамен 0,391658 ЭВ құрайды. Егер сутек-1 денесінің массасы мен радиусы Күнге тең болса, оның гравитациялық байланысу энергиясы атомға шамамен 1,195,586 ЭВ-қа тең болады. Астрофизикалық деңгейБайланыс энергиясы; Байланыс үзілу энергиясыБайланыс энергиясы және байланыс үзілу энергиясы – химиялық байланыстағы атомдар арасындағы байланысу энергиясын өлшеу шаралары. Бұл молекуланы құраушы атомдарға бөлу үшін қажетті энергия. Бұл энергия химиялық жарылыстарда, химиялық отынның жануында және биологиялық процестерде бөлінетін химиялық энергия түрінде көрінеді. Байланыс энергиясы мен байланыс үзілу энергиясы әдетте бір байланысқа бірнеше ЭВ шамасында болады. Көміртекті-көміртекті байланыстың байланыс үзілу энергиясы шамамен 3,6 ЭВ. Молекулалық деңгейЭлектрондық байланысу энергиясы; Иондану энергиясыЭлектрондық байланысу энергиясы, көбінесе иондану энергиясы деп аталады, электронды атомдық орбитасынан немесе қатты денеден босату үшін қажетті энергияның өлшемі. Электрондық байланысу энергиясы электрондардың ядромен және атомның, молекуланың немесе қатты дененің басқа электрондарымен электромагниттік өзара әрекеттесуінен туындайды және фотондар арқылы жүзеге асырылады. Химиялық элементтердің иондану энергиясының диапазоны – цезий атомындағы ең сыртқы электрон үшін 3,8939 ЭВ-тан мыс атомындағы ең ішкі электрон үшін 11,567617 кэВ-қа дейін. Атомдық деңгейАтомдық байланысу энергиясыАтомның атомдық байланысу энергиясы – атомды еркін электрондар мен ядроға бөлу үшін қажетті энергия. Бұл белгілі бір атомға жататын барлық электрондардың иондану энергиясының қосындысы. Атомдық байланысу энергиясы фотондар арқылы электронның ядромен электромагниттік өзара әрекеттесуінен туындайды. 2 электроны бар гелий атомы үшін атомдық байланысу энергиясы – бірінші иондану энергиясының (24,587 ЭВ) және екінші иондану энергиясының (54,418 ЭВ) қосындысы, барлығы 79,005 ЭВ. Атомдық деңгейЯдролық байланысу энергиясыЯдролық байланысу энергиясы – ядроны құрамындағы еркін, байланыспаған нейтрондар мен протондарға бөлу үшін қажетті энергия. Бұл масса дефектісінің энергия эквиваленті, ядроның массалық саны мен өлшенген массасы арасындағы айырмашылық. Ядролық байланысу энергиясы ядролық күштен немесе үш типті мезон арқылы берілетін қалдық күштен туындайды. Ядролық байланысу энергиясының орташа шамасы – сутек-2 үшін 1,11226 МэВ-тан никель-62 үшін 8,7945 МэВ-қа дейін. Ядролық деңгейКванттық хромодинамиканың байланысу энергиясыКванттық хромодинамиканың байланысу энергиясы энергияның жетіспеушілігін білдіру үшін дұрыс қолданылмайды. Ол әртүрлі кварктарды адронның ішінде байланыстыратын бөліктердің массасы мен кинетикалық энергиясына қатысты. Бұл энергия глюондар арқылы виртуалды глюондар мен теңіз кварктары арқылы берілетін күшті өзара әрекеттесуден туындайды. Нуклонның хромодинамикалық байланысу энергиясы нуклонның массасының шамамен 99% құрайды. Протонның хромодинамикалық байланысу энергиясы шамамен 928,9 МэВ, ал нейтронның шамамен 927,7 МэВ. Төменгі кварктар арасындағы үлкен байланысу энергиясы (280 МэВ) кейбір (теориялық болжамдарға сәйкес) реакцияларда лямбда бариондарымен 138 МэВ энергияны босатуға себеп болады. Элементар бөлшектер деңгейі

There are several types of binding energy, each operating over a different distance and energy scale. The smaller the size of a bound system, the higher its associated binding energy. TypeDescriptionExampleLevelGravitational binding energyThe gravitational binding energy of an object, such as a celestial body, is the energy required to expand the material to infinity. If a body with the mass and radius of Earth were made purely of hydrogen 1, then the gravitational binding energy of that body would be about 0.391658 eV per atom. If a hydrogen 1 body had the mass and radius of the Sun, its gravitational binding energy would be about 1,195.586 eV per atom. Astrophysical levelBond energy; Bond dissociation energyBond energy and bond dissociation energy are measures of the binding energy between the atoms in a chemical bond. It is the energy required to disassemble a molecule into its constituent atoms. This energy appears as chemical energy, such as that released in chemical explosions, the burning of chemical fuel and biological processes. Bond energies and bond dissociation energies are typically in the range of a few eV per bond. The bond dissociation energy of a carbon carbon bond is about 3.6 eV. Molecular levelElectron binding energy; Ionization energyElectron binding energy, more commonly known as ionization energy, is a measure of the energy required to free an electron from its atomic orbital or from a solid. The electron binding energy derives from the electromagnetic interaction of the electron with the nucleus and the other electrons of the atom, molecule or solid and is mediated by photons. Among the chemical elements, the range of ionization energies is from 3.8939 eV for the outermost electron in an atom of caesium to 11.567617 keV for the innermost electron in an atom of copper. Atomic levelAtomic binding energyThe atomic binding energy of the atom is the energy required to disassemble an atom into free electrons and a nucleus. It is the sum of the ionization energies of all the electrons belonging to a specific atom. The atomic binding energy derives from the electromagnetic interaction of the electrons with the nucleus, mediated by photons. For an atom of helium, with 2 electrons, the atomic binding energy is the sum of the energy of first ionization (24.587 eV) and the energy of second ionization (54.418 eV), for a total of 79.005 eV. Atomic levelNuclear binding energyNuclear binding energy is the energy required to disassemble a nucleus into the free, unbound neutrons and protons it is composed of. It is the energy equivalent of the mass defect, the difference between the mass number of a nucleus and its measured mass. Nuclear binding energy derives from the nuclear force or residual strong force, which is mediated by three types of mesons. The average nuclear binding energy per nucleon ranges from 1.11226 MeV for hydrogen 2 to 8.7945 MeV for nickel 62. Nuclear levelQuantum chromodynamics binding energyQuantum chromodynamics binding energy is misusing the denomination of a lack of energy. It addresses the mass and kinetic energy of the parts that bind the various quarks together inside a hadron. This energy derives from the strong interaction, which is mediated by gluons through virtual gluons and sea quarks. The chromodynamic binding energy inside a nucleon amounts to approximately 99% of the nucleon's mass. The chromodynamic binding energy of a proton is about 928.9 MeV, while that of a neutron is about 927.7 MeV. Large binding energy between bottom quarks (280 MeV) causes some (theoretically expected) reactions with lambda baryons to release 138 MeV per event. Elementary particle level

Масса-энергия қатынасы

Байланысты жүйе, әдетте, оның байланыспаған құрамдас бөліктеріне қарағанда төмен энергетикалық деңгейде болады, өйткені оның массасы оның байланыспаған құрамдас бөліктерінің жалпы массасынан кем болуы керек. Төмен байланыс энергиясы бар жүйелер үшін бұл "жоғалған" масса байланыстан кейін шағын үлес болуы мүмкін, ал жоғары байланыс энергиясы бар жүйелер үшін жоғалған масса оңай өлшенетін үлес болуы мүмкін. Бұл жоғалған масса байланысу процесінде жылу немесе жарық түрінде энергия ретінде жоғалуы мүмкін, ал алынып тасталған энергия Айнштейннің E=mc² теңдеуі бойынша алынып тасталған массаға сәйкес келеді. Байланысу процесінде жүйенің құрамдас бөліктері өз массасын сақтай отырып, ядроның/атомның/молекуланың жоғары энергетикалық күйіне өтуі мүмкін, сондықтан олардың массасы азаюдан бұрын жүйеден шығарылуы қажет. Жүйе қалыпты температураға дейін салқындап, энергия деңгейі бойынша негізгі күйге оралғаннан кейін, ол алғашқыда қосылған және жоғары энергияда болған кездегіден кем массаны қамтиды. Бұл жылудың жоғалтылуы "масса тапшылығын" көрсетеді, ал жылудың өзі бастапқы жүйе тұрғысынан жоғалған массаны сақтайды. Бұл масса кез келген жүйеде пайда болады, ол жылуды сіңіріп, жылу энергиясын алады. Мысалы, егер екі объект гравитациялық өрістері арқылы бір-біріне тартылса, тартылу күші объектілерді жылдамдатып, олардың жылдамдығын арттырады, бұл олардың потенциалдық энергиясын (гравитацияны) кинетикалық энергияға айналдырады. Егер бөлшектер өзара әрекеттеспей бір-бірінен өтіп кетсе немесе соқтығысқанда серпімді түрде кері қайтарылса, алынған кинетикалық энергия (жылдамдыққа байланысты) потенциалдық энергияға айналып, соқтығысқан бөлшектерді ажырата бастайды. Бөлшектер бастапқы қашықтыққа және одан әрі шексіздікке қайта оралады немесе тоқтап, соқтығысуды қайталайды (осцилляция орын алады). Бұл энергия жоғалтпайтын жүйенің бірігіп (байланыспайтын) қатты денені құрамайтынын көрсетеді, оның бөліктері қысқа қашықтықта осцилляция жасайды. Сондықтан, бөлшектерді байланыстыру үшін тартылыс күшінен туындаған кинетикалық энергияны кедергі күшімен тарату қажет. Объектілердің соқтығысуы көбінесе серпімсіз соқтығысу болып өтеді, кинетикалық энергияның бір бөлігі ішкі энергияға (жылуға, яғни атомдық қозғалысқа) айналады, ол одан әрі фотондар, жарық және жылу түрінде сәулеленеді. Соқтығысу кезінде гравитациядан құтылуға қажетті энергия таратылғаннан кейін, бөлшектер бір-біріне жақын, мүмкін атомдық қашықтықта тербеліске түседі, осылайша біртұтас қатты денеге ұқсайды. Объектілерді бөлу үшін потенциалдық тосқауылды жеңуге қажетті бұл жоғалған энергия байланыс энергиясы болып табылады. Егер бұл байланыс энергиясы жүйеде жылу түрінде сақталса, оның массасы азаймас еді, ал жүйеден жылу сәулеленуі түрінде жоғалған байланыс энергиясының өзі массаға ие болар еді. Бұл суық, байланысқан жүйенің "масса тапшылығын" тікелей көрсетеді. Химиялық және ядролық реакцияларда да осыған ұқсас қарастырулар қолданылады. Жабық жүйелердегі экзотермиялық химиялық реакциялар массаны өзгертпейді, бірақ реакцияның жылуын алып тастағаннан кейін массасы азаяды, бірақ бұл массаның өзгеруі стандартты жабдықпен өлшеуге тым кішкентай. Ядролық реакцияларда массаның жарық немесе жылу түрінде алынып тасталатын үлесі, яғни байланыс энергиясы, жүйе массасының әлдеқайда үлкен бөлігі болуы мүмкін. Сондықтан, реактивтер мен (салқындатылған) өнімдердің массаларының арасындағы айырмашылықты тікелей өлшеуге болады. Себебі ядролық күштер химиядағы жылуды тудыратын электрон мен протонның өзара әрекеттесуіне байланысты Кулон күштерінен салыстырмалы түрде күштірек.

A bound system is typically at a lower energy level than its unbound constituents because its mass must be less than the total mass of its unbound constituents. For systems with low binding energies, this "lost" mass after binding may be fractionally small, whereas for systems with high binding energies, the missing mass may be an easily measurable fraction. This missing mass may be lost during the process of binding as energy in the form of heat or light, with the removed energy corresponding to the removed mass through Einstein's equation 1=E = mc^(2). In the process of binding, the constituents of the system might enter higher energy states of the nucleus/atom/molecule while retaining their mass, and because of this, it is necessary that they are removed from the system before its mass can decrease. Once the system cools to normal temperatures and returns to ground states regarding energy levels, it will contain less mass than when it first combined and was at high energy. This loss of heat represents the "mass deficit", and the heat itself retains the mass that was lost (from the point of view of the initial system). This mass will appear in any other system that absorbs the heat and gains thermal energy. For example, if two objects are attracting each other in space through their gravitational field, the attraction force accelerates the objects, increasing their velocity, which converts their potential energy (gravity) into kinetic energy. When the particles either pass through each other without interaction or elastically repel during the collision, the gained kinetic energy (related to speed) begins to revert into potential energy, driving the collided particles apart. The decelerating particles will return to the initial distance and beyond into infinity, or stop and repeat the collision (oscillation takes place). This shows that the system, which loses no energy, does not combine (bind) into a solid object, parts of which oscillate at short distances. Therefore, to bind the particles, the kinetic energy gained due to the attraction must be dissipated by resistive force. Complex objects in collision ordinarily undergo inelastic collision, transforming some kinetic energy into internal energy (heat content, which is atomic movement), which is further radiated in the form of photonsthe light and heat. Once the energy to escape the gravity is dissipated in the collision, the parts will oscillate at a closer, possibly atomic, distance, thus looking like one solid object. This lost energy, necessary to overcome the potential barrier to separate the objects, is the binding energy. If this binding energy were retained in the system as heat, its mass would not decrease, whereas binding energy lost from the system as heat radiation would itself have mass. It directly represents the "mass deficit" of the cold, bound system. Closely analogous considerations apply in chemical and nuclear reactions. Exothermic chemical reactions in closed systems do not change mass, but do become less massive once the heat of reaction is removed, though this mass change is too small to measure with standard equipment. In nuclear reactions, the fraction of mass that may be removed as light or heat, i. e. binding energy, is often a much larger fraction of the system mass. It may thus be measured directly as a mass difference between rest masses of reactants and (cooled) products. This is because nuclear forces are comparatively stronger than the Coulombic forces associated with the interactions between electrons and protons that generate heat in chemistry.