Heb je ooit naar een stuk brandhout gekeken en tegen jezelf gezegd: 'Goh, ik vraag me af hoeveel energie het zou kosten om dat ding uit elkaar te halen'? De kans is groot, nee dat heb je niet, maar weinig mensen. Maar voor natuurkundigen is het eigenlijk een behoorlijk belangrijke vraag om te vragen hoeveel energie nodig is om iets in de samenstellende delen te scheiden.
Op het gebied van de natuurkunde is dit wat bekend staat als bindende energie, of de hoeveelheid mechanische energie die nodig zou zijn om een atoom in zijn afzonderlijke delen te demonteren. Dit concept wordt gebruikt door wetenschappers op veel verschillende niveaus, waaronder het atoomniveau, het nucleaire niveau, en in de astrofysica en chemie.
Nucleaire kracht:
Zoals iedereen die zich hun basischemie of fysica herinnert, zeker weet, zijn atomen samengesteld uit subatomaire deeltjes die bekend staan als nucleonen. Deze bestaan uit positief geladen deeltjes (protonen) en neutrale deeltjes (neutronen) die in het midden (in de kern) zijn gerangschikt. Deze zijn omgeven door elektronen die om de kern draaien en zijn gerangschikt in verschillende energieniveaus.
De reden waarom subatomaire deeltjes met fundamenteel verschillende ladingen zo dicht bij elkaar kunnen bestaan, is vanwege de aanwezigheid van Strong Nuclear Force - een fundamentele kracht van het universum waardoor subatomaire deeltjes op korte afstanden kunnen worden aangetrokken. Het is deze kracht die de afstotende kracht (bekend als de Coulomb-kracht) tegengaat die ervoor zorgt dat deeltjes elkaar afstoten.
Daarom zal elke poging om de kern te verdelen in hetzelfde aantal vrije ongebonden neutronen en protonen - zodat ze ver / ver genoeg van elkaar verwijderd zijn zodat de sterke kernkracht de deeltjes niet langer kan laten interageren - voldoende energie nodig hebben om te breken deze nucleaire obligaties.
Bindende energie is dus niet alleen de hoeveelheid energie die nodig is om sterke nucleaire bindingen te verbreken, het is ook een maat voor de sterkte van de bindingen die de nucleonen bij elkaar houden.
Kernsplijting en fusie:
Om nucleonen te scheiden, moet energie aan de kern worden geleverd, wat meestal wordt bereikt door de kern te bombarderen met deeltjes met hoge energie. In het geval van het bombarderen van zware atoomkernen (zoals uranium- of plutoniumatomen) met protonen, staat dit bekend als kernsplijting.
Bindende energie speelt echter ook een rol bij kernfusie, waarbij lichte kernen samen (zoals waterstofatomen) onder hoge energietoestanden aan elkaar worden gebonden. Als de bindingsenergie voor de producten hoger is wanneer lichte kernen samensmelten, of wanneer zware kernen splitsen, zal een van deze processen resulteren in het vrijkomen van de "extra" bindende energie. Deze energie wordt kernenergie genoemd, of losjes kernenergie.
Er wordt opgemerkt dat de massa van elke kern altijd kleiner is dan de som van de massa van de afzonderlijke samenstellende nucleonen waaruit deze bestaat. Het "verlies" van massa dat ontstaat wanneer nucleonen worden gesplitst om een kleinere kern te vormen, of samensmelten om een grotere kern te vormen, wordt ook toegeschreven aan een bindende energie. Deze ontbrekende massa kan tijdens het proces verloren gaan in de vorm van warmte of licht.
Zodra het systeem afkoelt tot normale temperaturen en terugkeert naar de grondtoestanden in termen van energieniveaus, blijft er minder massa over in het systeem. In dat geval vertegenwoordigt de verwijderde warmte precies het massa "tekort", en de warmte zelf houdt de massa vast die verloren is gegaan (vanuit het oogpunt van het initiële systeem). Deze massa komt voor in elk ander systeem dat de warmte absorbeert en thermische energie wint.
Soorten bindende energie:
Strikt genomen zijn er verschillende soorten bindende energie, die is gebaseerd op het specifieke vakgebied. Als het gaat om deeltjesfysica, verwijst bindingsenergie naar de energie die een atoom ontleent aan elektromagnetische interactie, en is het ook de hoeveelheid energie die nodig is om een atoom te demonteren in vrije nucleonen.
In het geval van het verwijderen van elektronen uit een atoom, een molecuul of een ion, staat de benodigde energie bekend als "elektronenbindende energie" (ook bekend als ionisatiepotentiaal). Over het algemeen is de bindingsenergie van een enkel proton of neutron in een kern ongeveer een miljoen keer groter dan de bindingsenergie van een enkel elektron in een atoom.
In de astrofysica gebruiken wetenschappers de term 'zwaartekrachtbindende energie' om te verwijzen naar de hoeveelheid energie die nodig zou zijn om een object dat alleen door de zwaartekracht bij elkaar wordt gehouden (tot in het oneindige) uit elkaar te trekken - dwz elk stellair object zoals een ster, een planeet of een komeet. Het verwijst ook naar de hoeveelheid energie die vrijkomt (meestal in de vorm van warmte) tijdens de aanwas van een dergelijk object uit materiaal dat uit de oneindigheid valt.
Ten slotte is er de zogenaamde "bindings" -energie, die een maat is voor de bindingssterkte in chemische bindingen, en ook de hoeveelheid energie (warmte) die nodig is om een chemische verbinding af te breken tot de samenstellende atomen. Kortom, bindende energie is precies wat ons universum met elkaar verbindt. En wanneer verschillende delen ervan uit elkaar worden gehaald, is het de hoeveelheid energie die nodig is om het uit te voeren.
De studie van bindende energie heeft tal van toepassingen, waaronder kernenergie, elektriciteit en chemische productie. En de komende jaren en decennia zal het intrinsiek zijn in de ontwikkeling van kernfusie!
Voor Space Magazine hebben we veel artikelen geschreven over bindende energie. Hier is wat is het atoommodel van Bohr? Wat is het atoommodel van John Dalton? Wat is het atoommodel van Plum Pudding? Wat is atoommassa?
Als je meer informatie wilt over bindende energie, bekijk dan het Hyperphysics-artikel over kernenergie.
We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast opgenomen over de belangrijke nummers in het heelal. Luister hier, Aflevering 45: The Important Numbers in the Universe.
Bronnen:
- Wikipedia - Binding Energy
- Hyperfysica - nucleaire bindende energie
- European Nuclear Society - Binding Energy
- Encyclopaedia Britannica - Binding Energy
