결합 에너지

Binding energy

물리학과 화학에서 결합 에너지는 입자 시스템에서 입자를 제거하거나 입자 시스템을 개별 [1]부분으로 분해하는 데 필요한 최소 에너지입니다.전자의 의미에서는 이 용어가 주로 응집물질 물리학, 원자 물리학 및 화학에서 사용되는 반면, 핵 물리학에서는 분리 에너지라는 용어가 사용됩니다.

결합 시스템은 일반적으로 결합되지 않은 구성 요소보다 에너지 수준이 낮습니다.상대성 이론에 따르면, 시스템의 총 에너지에서 δE 감소는 총 질량의 δM 감소를 동반하며, 여기서 δM2 c = [2]δE이다.

결합 에너지의 종류

결합 에너지에는 여러 가지 유형이 있으며, 각각 다른 거리와 에너지 척도로 작동합니다.결합 시스템의 크기가 작을수록 연관된 결합 에너지가 높아집니다.

유형 묘사 예 레벨
중력 결합 에너지 천체와 같은 물체의 중력 결합 에너지는 물질을 무한대로 확장하는 데 필요한 에너지이다. 만약 지구의 질량과 반지름을 가진 물체가 순수하게 수소-1로 만들어진다면, 그 물체의 중력 결합 에너지는 원자당 약 0.391658 eV가 될 것이다.만약 수소-1 물체가 태양의 질량과 반지름을 가지고 있다면, 그것의 중력 결합 에너지는 원자당 약 1,195.586 eV가 될 것이다. 천체물리 수준
결합 에너지; 결합 분리 에너지 결합 에너지와 결합 분리 에너지는 화학 결합에 있는 원자 사이의 결합 에너지의 척도입니다.그것은 분자를 구성 원자로 분해하는 데 필요한 에너지이다.이 에너지는 화학 폭발, 화학 연료 연소 및 생물학적 과정에서 방출되는 화학 에너지로 나타납니다.결합 에너지와 결합 분리 에너지는 일반적으로 결합당 몇 eV 범위 내에 있다. 한 carbon-carbon 채권의 bond-dissociation 에너지는 약 3.6eV. 분자 수준
전자 결합 에너지, 이온화 에너지. 에너지의 원자 궤도 함수나 확실한에서 전자를 해제하는데 필요한 전자 결합 에너지, 더 일반적으로 이온화 energy,[3]으로 알려져 있는 조치이다.전자의 원자, 분자나와 광자에 의해 전달되 고체의 핵을 빼내고 다른 전자들로 그 전자기적 상호 작용의 전리 퍼텐셜 모두에게서 기인한다. 는 화학 원소들 중에서 이온화 에너지의 범위를 가장 바깥쪽 전자를 세슘의 원자에 3.8939 eV 구리를 원자 안에서 가장 안쪽에 위치한 전자를 11.567617 keV이다. 원자 수준
원자 결합 에너지 원자의 원자 결합 에너지는 에너지 자유 전자와 세포 핵으로 원자를 분해할 것을 요구했다.[4]모든 전자 특정한 원자에게 속한 이온화 에너지의 합이다.그 전자의 핵과 전자기적 상호 작용, 광자에 의해에서 원자 결합 에너지 모두에게서 기인한다. 헬륨의 2전자들로 원자, 1이온화(24.587 eV)의 에너지와 두번째 이온화(54.418 eV)의 에너지의 79.005 eV의 합계를 위해, 원자 결합 에너지는. 원자 수준
핵결합 에너지 원자 결합 에너지는 에너지로 구성되고 자유 중성자와 양성자로 핵을 해체할 것을 요구했다.그 질량 결손의 에너지 이와 동등한 것, 핵의 대량 늘고 측정 사이의 차이점.[5][6]는 mesons의 세가지 유형에 의해 있는 원자 힘이나 잔류 강한 힘에서 원자 결합 에너지 모두에게서 기인한다. 핵자당 평균 핵결합 에너지는 수소-2의 경우 2.22452 MeV에서 니켈-62의 경우 8.7945 MeV까지 다양하다. 핵수준
양자 색역학 결합 에너지 양자 색역학 결합 에너지는 에너지 부족의 단위를 잘못 사용하고 있다.그것은 하드론 안에서 다양한 쿼크를 결합하는 부분의 질량과 운동 에너지를 다룬다.이 에너지는 가상 글루온과 바다 쿼크를 통해 글루온에 의해 매개되는 강한 상호작용에서 비롯됩니다. 핵자 내부의 색역학적 결합 에너지는 핵자 질량의 약 99%에 이른다.

양성자의 색역학적 결합 에너지는 약 928.9이다.중성자의 MeV는 약 927.7MeV이다. 바닥 쿼크(280MeV) 사이의 큰 결합 에너지는 람다 바리온과의 (이론적으로 기대되는) 반응을 발생당 [7]138MeV를 방출시킨다.

소립자 수준

질량-에너지 관계

주요 기사:특수상대성이론의 질량-에너지 당량 및 질량

결합계는 일반적으로 결합되지 않은 구성 요소보다 낮은 에너지 수준에 있습니다. 그 이유는 결합되지 않은 구성 요소의 총 질량보다 질량이 작아야 하기 때문입니다.결합 에너지가 낮은 시스템의 경우 결합 후 이 "손실" 질량은 극히 작을 수 있지만 결합 에너지가 높은 시스템의 경우 손실 질량은 쉽게 측정할 수 있는 비율일 수 있다.이 누락된 질량은 아인슈타인의 방정식 E = mc를2 통해 제거된 질량에 해당하는 에너지로 열이나 빛의 형태로 결합하는 과정에서 손실될 수 있다.결합 과정에서 시스템 구성 요소는 질량을 유지하면서 핵/원자/분자의 높은 에너지 상태에 들어갈 수 있으며, 따라서 질량이 감소하기 전에 시스템에서 제거해야 합니다.시스템이 정상 온도로 냉각되어 에너지 레벨에 관한 접지 상태로 돌아오면, 시스템이 처음 결합되어 높은 에너지 상태에 있을 때보다 질량이 줄어듭니다.이러한 열 손실은 "질량 부족"을 나타내며, 열 자체는 손실된 질량을 유지합니다(초기 시스템의 관점에서).이 질량은 열을 흡수하여 열에너지를 [8]얻는 다른 시스템에서 나타납니다.

예를 들어, 만약 두 물체가 중력장을 통해 우주에서 서로를 끌어당기고 있다면, 끌어당기는 힘은 물체를 가속시키고, 그들의 속도를 증가시켜 그들의 잠재 에너지(중력)를 운동 에너지로 변환시킨다.충돌 중에 입자들이 상호 작용 없이 서로를 통과하거나 탄성적으로 밀어낼 때, 얻은 운동 에너지는 (속도와 관련된) 위치 에너지로 돌아가 충돌 입자들을 갈라놓기 시작합니다.감속하는 입자는 초기 거리 및 그 너머 무한대로 돌아가거나 충돌을 중지하고 반복합니다(진동이 발생합니다).이는 에너지가 손실되지 않는 시스템이 결합(결합)하지 않고 일부가 짧은 거리에서 진동하는 고체 물체로 변한다는 것을 보여줍니다.따라서 입자를 결합하기 위해서는 인력에 의해 얻어진 운동 에너지가 저항력에 의해 소멸되어야 한다.충돌하는 복잡한 물체는 보통 비탄성 충돌을 겪으며, 운동 에너지를 내부 에너지로 변환합니다. 내부 에너지(원자 운동인 열 함량)는 빛과 열의 형태로 더욱 방사됩니다.일단 충돌로 중력을 탈출하기 위한 에너지가 소멸되면, 부품들은 더 가까운 원자 거리에서 진동하게 되고, 따라서 하나의 고체 물체처럼 보입니다.이 손실된 에너지는 물체를 분리하는 잠재적 장벽을 극복하기 위해 필요한 결합 에너지입니다.이 결합 에너지가 열로 시스템에 유지되면 질량은 줄어들지 않지만 열 복사로 인해 시스템에서 결합 에너지가 손실됩니다.그것은 냉철하고 구속된 시스템의 "대량 적자"를 직접적으로 나타냅니다.

화학 반응과 핵 반응에는 매우 유사한 고려사항이 적용된다.폐쇄형 시스템의 발열 화학 반응은 질량을 변화시키지 않지만 반응 열을 제거하면 질량이 감소하지만 표준 장비로 측정하기에는 질량이 너무 작습니다.핵반응에서 빛이나 열로 제거될 수 있는 질량의 비율, 즉 결합 에너지는 종종 시스템 질량의 훨씬 큰 비율이다.따라서 이는 반응물질의 정지질량과 (냉각된) 생성물 사이의 질량 차이로 직접 측정될 수 있다.이것은 핵력이 화학에서 열을 발생시키는 전자와 양성자 사이의 상호작용과 관련된 쿨롱 힘보다 상대적으로 강하기 때문입니다.

매스 체인지

결합 시스템, 특히 원자핵의 질량 변화(감소)는 질량 결함, 질량 결손 또는 질량 패킹 [citation needed]분율이라고도 불린다.

무한계 계산질량과 실험적으로 측정된 핵질량(질량변화)의 차이는 δm으로 나타낸다.다음과 같이 계산할 수 있습니다.

질량 변화 = (시스템 계산 질량) - (시스템 측정 질량)
예: (양자와 중성자 질량의 합) - (핵의 질량)

핵반응이 일어나 핵을 들뜨게 한 후, 들뜨지 않은 상태로 붕괴하기 위해 방사되거나 결합 에너지로 제거되어야 하는 에너지는 여러 가지 형태 중 하나가 될 수 있다.이는 감마선과 같은 전자파, 내부 변환 붕괴 시 전자와 같은 방출 입자의 운동 에너지 또는 베타 붕괴 입자와 같은 하나 이상의 방출 입자의 나머지 질량일 수 있다.이론상으로는 이 방사선이나 에너지가 방출되어 더 이상 시스템의 일부가 아닐 때까지 질량 결손이 나타나지 않습니다.

핵자가 핵을 형성하기 위해 결합할 때, 그들은 소량의 질량을 잃어야 한다. 즉, 결합 상태를 유지하기 위한 질량의 변화가 있다.이러한 질량 변화는 E2 = mc 관계에 따라 위와 같이 다양한 유형의 광자 또는 기타 입자 에너지로 방출되어야 한다.따라서 결합 에너지가 제거된 후에는 결합 에너지 = 질량 변화 × c가2 된다.이 에너지는 핵자를 하나로 묶는 힘의 척도이다.그것은 핵이 개별 핵자로 분해되기 위해 환경으로부터 재공급되어야 하는 에너지를 나타냅니다.

예를 들어 중수소 원자는 질량결함이 0.0023884amu이며 결합에너지는 2.23MeV와 거의 같다.중수소 원자를 분해하는 데 2.23MeV의 에너지가 필요하다는 뜻이다.

핵융합 또는 핵분열 중에 발생하는 에너지는 핵분열 또는 핵융합 생성물과 "연료" 즉, 초기 핵종의 결합 에너지의 차이이다.실제로, 이 에너지는 연료와 생성물 사이의 상당한 질량 차이에서 계산할 수도 있다. 연료는 각 종에 대해 항상 같은 질량을 갖는 알려진 핵종의 원자 질량을 이전에 측정했다.이러한 질량 차이는 진화된 열과 방사선이 제거되면 나타나며, 이러한 계산에 관여하는 (여진되지 않은) 핵종의 (나머지) 질량을 측정하는 데 필요하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Rohlf, James William (1994). Modern Physics from α to Z°. John Wiley & Sons. p. 20. ISBN 0471572705.
  2. ^ Eisberg, Robert; Resnick, Robert (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. p. 524. ISBN 047187373X.
  3. ^ IUPAC, 화학 용어집, 제2판('골드북') (1997).온라인 수정판: (2006–) "이온화 에너지"doi: 10.1351/goldbook.I03199
  4. ^ "Binding Energy". Nuclear Power. Retrieved 16 May 2015.
  5. ^ Bodansky, David (2005). Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects (2nd ed.). New York: Springer Science + Business Media, LLC. p. 625. ISBN 9780387269313.
  6. ^ Wong, Samuel S.M. (2004). Introductory nuclear physics (2nd ed.). Weinheim: Wiley-VCH. pp. 9–10. ISBN 9783527617913.
  7. ^ 칼라이너, 마렉, 그리고 조나단 로스너."핵 융합의 두배로 무거운 중입자와Quark-level 아날로그.".자연은 551.7678(2017년):89.
  8. ^ E.F. 테일러와 J.A.휠러, 시공간 물리, WH씨. 프리만과, NY.1992년.아이 에스비엔 0-7167-2327-1,를 대신하여 서명함를 참조하십시오.까지 더위를 피할 수 있248-9 질량의 토론에 대한 상수의 핵 폭탄의 폭발 후 남아 있는.

외부 링크