Энергия связи частиц и её типы

Введение

Энергия, необходимая для разделения частиц

В физике и химии энергия связывания – это минимальное количество энергии, требуемое для удаления частицы из системы частиц или для разделения системы частиц на отдельные составляющие. В первом смысле термин преимущественно используется в физике конденсированного состояния, атомной физике и химии, в то время как в ядерной физике используется термин "энергия разделения". Связывание также может относиться к соединению двух частиц, например, фагоцитоз и связывание патогена, в результате чего фагоцит уничтожает патоген. Связанная система обычно находится на более низком энергетическом уровне, чем её несвязанные компоненты. Согласно теории относительности, уменьшение полной энергии системы на ΔE сопровождается уменьшением полной массы на Δm, где ΔE = Δmc².

Типы энергии связывания

Существует несколько типов энергии связывания, каждый из которых действует на разных расстояниях и энергетических масштабах. Чем меньше размер связанной системы, тем выше её энергия связывания. ТипОписаниеПримерУровеньГравитационная энергия связыванияГравитационная энергия связывания объекта, такого как небесное тело, – это энергия, необходимая для расширения материала до бесконечности. Если бы тело с массой и радиусом Земли состояло исключительно из водорода-1, то гравитационная энергия связывания этого тела была бы примерно 0,391658 эВ на атом. Если бы тело водорода-1 имело массу и радиус Солнца, его гравитационная энергия связывания была бы примерно 1195,586 эВ на атом. Астрофизический уровеньЭнергия связи; энергия диссоциации связиЭнергия связи и энергия диссоциации связи являются мерами энергии, удерживающей атомы в химической связи. Это энергия, необходимая для расщепления молекулы на составляющие её атомы. Эта энергия проявляется в виде химической энергии, например, высвобождаемой при химических взрывах, сгорании химического топлива и биологических процессах. Энергии связи и энергии диссоциации связи обычно находятся в диапазоне нескольких эВ на связь. Энергия диссоциации связи углерод-углеродной связи составляет около 3,6 эВ. Молекулярный уровеньЭлектронная энергия связывания; энергия ионизацииЭлектронная энергия связывания, более известная как энергия ионизации, – это мера энергии, необходимой для освобождения электрона от его атомной орбитали или из твердого тела. Энергия связывания электрона обусловлена электромагнитным взаимодействием электрона с ядром и другими электронами атома, молекулы или твердого тела и передается посредством фотонов. Среди химических элементов диапазон энергий ионизации составляет от 3,8939 эВ для самого внешнего электрона в атоме цезия до 11,567617 кэВ для самого внутреннего электрона в атоме меди. Атомный уровеньАтомная энергия связыванияАтомная энергия связывания атома – это энергия, необходимая для расщепления атома на свободные электроны и ядро. Это сумма энергий ионизации всех электронов, принадлежащих конкретному атому. Энергия связывания атомов обусловлена электромагнитным взаимодействием электронов с ядром, передаваемым посредством фотонов. Для атома гелия с 2 электронами атомная энергия связывания равна сумме энергии первой ионизации (24,587 эВ) и энергии второй ионизации (54,418 эВ), что в сумме составляет 79,005 эВ. Атомный уровеньЭнергия ядерного связыванияЭнергия ядерного связывания – это энергия, необходимая для расщепления ядра на свободные, несвязанные нейтроны и протоны, из которых оно состоит. Это энергетический эквивалент дефекта массы, разницы между массовым числом ядра и его измеренной массой. Энергия ядерного связывания обусловлена ядерной силой или остаточной сильной силой, которая передается тремя типами мезонов. Средняя энергия ядерного связывания на нуклон колеблется от 1,11226 МэВ для водорода-2 до 8,7945 МэВ для никеля-62. Ядерный уровеньЭнергия связывания квантовой хромодинамикиЭнергия связывания квантовой хромодинамики некорректно использует обозначение недостатка энергии. Она рассматривает массу и кинетическую энергию частей, связывающих различные кварки вместе внутри адрона. Эта энергия обусловлена сильным взаимодействием, которое передается глюонами через виртуальные глюоны и морские кварки. Энергия хромодинамического связывания внутри нуклона составляет примерно 99% массы нуклона. Энергия хромодинамического связывания протона составляет около 928,9 МэВ, а нейтрона – около 927,7 МэВ. Большая энергия связывания между b-кварками (280 МэВ) вызывает некоторые (теоретически ожидаемые) реакции с лямбда-барионами, высвобождающие 138 МэВ на событие. Уровень элементарных частиц

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

Соотношение масса-энергия

Связанная система обычно имеет более низкий энергетический уровень, чем её несвязанные составляющие, поскольку её масса должна быть меньше общей массы её несвязанных составляющих. Для систем с низкой энергией связи эта "потерянная" масса после образования связи может быть незначительной, в то время как для систем с высокой энергией связи недостающая масса может быть легко измеримой. Эта недостающая масса может выделяться в процессе образования связи в виде энергии, такой как тепло или свет, при этом удалённая энергия соответствует удалённой массе согласно уравнению Эйнштейна E = mc². В процессе образования связи компоненты системы могут переходить в более высокие энергетические состояния ядра/атома/молекулы, сохраняя при этом свою массу, и поэтому необходимо удалить их из системы, прежде чем её масса сможет уменьшиться. Как только система остынет до нормальной температуры и вернётся в основное состояние относительно энергетических уровней, она будет содержать меньше массы, чем при первоначальном объединении и нахождении в состоянии высокой энергии. Эта потеря тепла представляет собой "дефицит массы", а само тепло сохраняет потерянную массу (с точки зрения исходной системы). Эта масса проявится в любой другой системе, которая поглотит тепло и получит тепловую энергию. Например, если два объекта притягиваются друг к другу в пространстве посредством гравитационного поля, 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, приобретённая кинетическая энергия (связанная со скоростью) начинает возвращаться в потенциальную энергию, разводя столкнувшиеся частицы. Замедляющиеся частицы вернутся к исходному расстоянию и далее в бесконечность, или остановятся и повторят столкновение (произойдёт колебание). Это показывает, что система, которая не теряет энергии, не объединяется (не образует связь) в твёрдый объект, части которого колеблются на малых расстояниях. Следовательно, для образования связи кинетическая энергия, приобретённая в результате притяжения, должна рассеиваться силой сопротивления. Сложные объекты при столкновении обычно испытывают неупругое столкновение, преобразуя часть кинетической энергии во внутреннюю энергию (теплосодержание, которое является атомным движением), которая затем излучается в виде фотонов – света и тепла. Как только энергия, необходимая для преодоления гравитационного притяжения, рассеется в результате столкновения, частицы начнут колебаться на более близком, возможно, атомном расстоянии, тем самым выглядя как единый твёрдый объект. Эта потерянная энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, разделяющего объекты, является энергией связи. Если эта энергия связи останется в системе в виде тепла, её масса не уменьшится, в то время как энергия связи, потерянная из системы в виде теплового излучения, сама будет обладать массой. Она напрямую представляет собой "дефицит массы" холодной, связанной системы. Аналогичные соображения применимы и 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, то есть энергии связи, часто является значительно большей долей массы системы. Таким образом, её можно непосредственно измерить как разницу в массах покоя реагентов и (охлаждённых) продуктов. Это связано с тем, что ядерные силы сравнительно сильнее кулоновских сил, связанных с взаимодействием между электронами и протонами, которые генерируют тепло в химии.

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.