هل سبق لك أن ألقيت نظرة على قطعة من الحطب وقلت لنفسك ، "أتساءل ، كم من الطاقة ستستغرق لتقسيم هذا الشيء عن بعضه؟" هناك احتمالات ، لا ، لم تفعل ذلك ، قليل من الناس. ولكن بالنسبة للفيزيائيين ، فإن السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لفصل شيء ما إلى قطعه المكونة هو في الواقع سؤال مهم جدًا.
في مجال الفيزياء ، هذا هو ما يعرف باسم طاقة الربط ، أو كمية الطاقة الميكانيكية التي ستحتاجها لتفكيك ذرة إلى أجزائها المنفصلة. يتم استخدام هذا المفهوم من قبل العلماء على العديد من المستويات المختلفة ، والتي تشمل المستوى الذري والمستوى النووي والفيزياء الفلكية والكيمياء.
القوة النووية:
كما يعرف بالتأكيد أي شخص يتذكر الكيمياء الأساسية أو الفيزياء ، تتكون الذرات من جزيئات دون ذرية تعرف باسم النويات. وتتكون هذه من جزيئات موجبة الشحنة (بروتونات) وجزيئات محايدة (نيوترونات) مرتبة في المركز (في النواة). هذه محاطة بإلكترونات تدور حول النواة ويتم ترتيبها في مستويات طاقة مختلفة.
السبب في أن الجسيمات دون الذرية التي لها شحنات مختلفة بشكل أساسي قادرة على الوجود قريبة جدًا من بعضها البعض هو بسبب وجود قوة نووية قوية - وهي قوة أساسية للكون تسمح بجذب الجسيمات دون الذرية على مسافات قصيرة. هذه القوة هي التي تقاوم قوة التنافر (المعروفة باسم قوة كولوم) التي تجعل الجزيئات تتنافر.
لذلك ، فإن أي محاولة لتقسيم النواة إلى نفس العدد من النيوترونات والبروتونات الحرة غير المقيدة - بحيث تكون بعيدة / بعيدة بما يكفي عن بعضها البعض لدرجة أن القوة النووية القوية لم تعد قادرة على التسبب في تفاعل الجسيمات - ستتطلب طاقة كافية لكسرها هذه الروابط النووية.
وبالتالي ، فإن الطاقة الملزمة ليست فقط كمية الطاقة المطلوبة لكسر روابط القوة النووية القوية ، بل هي أيضًا مقياس لقوة الروابط التي تربط النيوكليونات معًا.
الانشطار النووي والانصهار:
من أجل فصل النويات ، يجب توفير الطاقة للنواة ، والتي يتم تحقيقها عادة عن طريق قصف النواة بجزيئات عالية الطاقة. في حالة قصف النوى الذرية الثقيلة (مثل ذرات اليورانيوم والبلوتونيوم) بالبروتونات ، يُعرف ذلك بالانشطار النووي.
ومع ذلك ، تلعب طاقة الربط أيضًا دورًا في الاندماج النووي ، حيث ترتبط النوى الخفيفة معًا (مثل ذرات الهيدروجين) معًا في حالات الطاقة العالية. إذا كانت طاقة الربط للمنتجات أعلى عندما تندمج النوى الخفيفة ، أو عندما تنقسم النوى الثقيلة ، فإن أيًا من هذه العمليات سيؤدي إلى إطلاق طاقة الربط "الإضافية". يشار إلى هذه الطاقة باسم الطاقة النووية ، أو بشكل فضفاض الطاقة النووية.
ويلاحظ أن كتلة أي نواة تكون دائمًا أقل من مجموع كتل النوى المكونة الفردية التي تتكون منها. إن "فقدان" الكتلة الذي ينتج عندما تنقسم النوى لتكوين نواة أصغر ، أو تندمج لتكوين نواة أكبر ، يُنسب أيضًا إلى طاقة ربط. قد تفقد هذه الكتلة المفقودة أثناء العملية في شكل حرارة أو ضوء.
بمجرد أن يبرد النظام إلى درجات الحرارة العادية ويعود إلى حالات الأرض من حيث مستويات الطاقة ، يكون هناك كتلة أقل متبقية في النظام. في هذه الحالة ، تمثل الحرارة التي تمت إزالتها بالضبط "عجز" الكتلة ، وتحتفظ الحرارة نفسها بالكتلة المفقودة (من وجهة نظر النظام الأولي). تظهر هذه الكتلة في أي نظام آخر يمتص الحرارة ويكتسب طاقة حرارية.
أنواع الطاقة الملزمة:
بالمعنى الدقيق للكلمة ، هناك عدة أنواع مختلفة من طاقة الربط ، والتي تعتمد على مجال الدراسة المحدد. عندما يتعلق الأمر بفيزياء الجسيمات ، تشير طاقة الربط إلى الطاقة التي تستمدها الذرة من التفاعل الكهرومغناطيسي ، وهي أيضًا كمية الطاقة المطلوبة لتفكيك الذرة إلى نويات حرة.
في حالة إزالة الإلكترونات من ذرة أو جزيء أو أيون ، تُعرف الطاقة المطلوبة باسم "طاقة ربط الإلكترون" (تعرف أيضًا بقدرة التأين). بشكل عام ، تكون طاقة الربط لبروتون واحد أو نيوترون في النواة أكبر بما يقرب من مليون مرة من طاقة الربط لإلكترون واحد في الذرة.
في الفيزياء الفلكية ، يستخدم العلماء مصطلح "طاقة ربط الجاذبية" للإشارة إلى كمية الطاقة التي ستحتاجها لتفتيت (إلى ما لا نهاية) جسمًا متماسكًا مع الجاذبية وحدها - أي أي جسم نجمي مثل نجم أو كوكب أو مذنب. كما يشير إلى كمية الطاقة التي يتم تحريرها (عادة في شكل حرارة) أثناء تراكم مثل هذا الشيء من مادة تسقط من اللانهاية.
وأخيرًا ، هناك ما يُعرف بالطاقة "الرابطة" ، وهي مقياس لقوة الرابطة في الروابط الكيميائية ، وأيضًا كمية الطاقة (الحرارة) التي ستحتاجها لكسر مركب كيميائي إلى ذراته المكونة. في الأساس ، الطاقة الملزمة هي الشيء الذي يربط كوننا معًا. وعندما تتفكك أجزاء مختلفة منها ، تكون كمية الطاقة اللازمة لتنفيذها.
دراسة الطاقة الملزمة لها تطبيقات عديدة ، ليس أقلها الطاقة النووية والكهرباء والصناعات الكيماوية. وفي السنوات والعقود القادمة ، سيكون الأمر جوهريًا في تطوير الاندماج النووي!
لقد كتبنا العديد من المقالات حول الطاقة الملزمة لمجلة الفضاء. إليكم ما هو النموذج الذري لبوهر ؟، ما هو النموذج الذري لجون دالتون ؟، ما هو النموذج الذري لبودر البرقوق ؟، ما هي الكتلة الذرية؟ ، والانصهار النووي في النجوم.
إذا كنت ترغب في مزيد من المعلومات حول الطاقة الملزمة ، فراجع مقالة Hyperphysics عن الطاقة النووية الملزمة.
لقد سجلنا أيضًا حلقة كاملة من إلقاء علم الفلك حول الأرقام المهمة في الكون. استمع هنا ، الحلقة 45: الأرقام المهمة في الكون.
مصادر:
- ويكيبيديا - طاقة ملزمة
- Hyperphysics - الطاقة النووية الملزمة
- الجمعية النووية الأوروبية - الطاقة الملزمة
- موسوعة بريتانيكا - طاقة ملزمة
