Ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων – ενέργεια ιονισμού

Όσο πιο σταθερά είναι συνδεδεμένο ένα πλαίσιο, τόσο πιο γειωμένες είναι οι δυνάμεις που διατηρούν κάποιο είδος ελέγχου και τόσο πιο έντονη είναι η ενέργεια που αναμένεται να το διασπάσει. Μπορούμε συνεπώς να μάθουμε για τις ατομικές δυνάμεις αναλύοντας πόσο σταθερά είναι συνδεδεμένοι οι πυρήνες. Χαρακτηρίζουμε την οριακή ενέργεια (BE) ενός πυρήνα ως την ενέργεια που αναμένεται να τον αποσυναρμολογήσει πλήρως σε διακριτά πρωτόνια και νετρόνια. Μπορούμε να αποφασίσουμε το ΒΕ ενός πυρήνα από τη μάζα ηρεμίας του. Τα δύο συνδέονται μέσω της δημοφιλής σχέσης του Αϊνστάιν E =(Δm)c2. Ένα δεσμευμένο πλαίσιο έχει πιο μέτρια μάζα από τα διάφορα συστατικά του. Όσο πιο σταθερά είναι συνδεδεμένα τα νουκλεόνια μεταξύ τους, τόσο πιο μέτρια είναι η μάζα του πυρήνα.

Έννοια της πυρηνικής δεσμευτικής ενέργειας

Η ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων είναι η βασική ενέργεια που αναμένεται να εξαλείψει ένα ηλεκτρόνιο από ένα σωματίδιο, καθώς τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγκρατούνται από την ηλεκτροστατική έλξη του φορτισμένου πυρήνα +ve. Η ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων υπολογίζεται σε βολτ ηλεκτρονίων (eV), όπου 1 eV =1,6 x 10-19 J.

Η έκταση της περιοριστικής ενέργειας ηλεκτρονίων είναι:

• άμεσα ανάλογο με τον πυρηνικό αριθμό (Z).
• αντίστροφα ανάλογο του διαχωρισμού από τον πυρήνα. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια του εσωτερικού κελύφους θα έχουν πιο αξιοσημείωτη ενέργεια δέσμευσης από τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού κελύφους.

Ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να εξαλειφθεί από ένα γιώτα, υποθέτοντας ότι η εφαρμοζόμενη ενέργεια είναι πιο αξιοσημείωτη από την ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων του. Κάθε φορά που εκτοξεύεται ένα ηλεκτρόνιο εσωτερικού φλοιού, η ευκαιρία θα καλυφθεί από ένα ηλεκτρόνιο από ένα εξωτερικό κέλυφος. Η αφθονία της ενέργειας από αυτή τη μετατόπιση μεταδίδεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Παραδείγματα πυρηνικής δεσμευτικής ενέργειας

Όσον αφορά τη χημεία, η ενέργεια δέσμευσης είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη διάσπαση ή τον διαχωρισμό των υποατομικών σωματιδίων σε ατομικούς πυρήνες, όπως η αναδιάταξη ή η αφαίρεση ηλεκτρονίων που περιορίζονται στους πυρήνες στα άτομα. Θα μπορούσε επίσης να ονομαστεί ως η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση ατόμων και ιόντων που είναι στενά συνδεδεμένα σε κρυστάλλους.

• Η ενέργεια δέσμευσης του διαχωρισμού μετριέται σε KJ/mol. 2,23 MeV (Mega electronVolt) είναι η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα του υδρογόνου.

• Με την παροχή 2,23 εκατομμυρίων ηλεκτρον βολτ (MeV) ενέργειας, ο πυρήνας του υδρογόνου-2, ο οποίος αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, μπορεί να διασπαστεί πλήρως. Αντίθετα, όταν ένα βραδέως κινούμενο νετρόνιο και ένα πρωτόνιο συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν πυρήνα υδρογόνου-2, απελευθερώνεται ακτινοβολία γάμμα 2,23 MeV. Η συνολική μάζα των συνδεδεμένων σωματιδίων είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των συστατικών σωματιδίων κατά ποσότητα ίση με την ενέργεια δέσμευσης (όπως αναπαρίσταται στην εξίσωση μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν).

Επεξήγηση καμπύλης ενέργειας δέσμευσης

Όπως γνωρίζουμε, η μάζα ενός πυρήνα είναι μικρότερη από τη συνολική μάζα των βασικών πρωτονίων και νετρονίων του. Όταν κοιτάμε τον ίδιο αριθμό νετρονίων και πρωτονίων στον πυρήνα που προσπαθούμε να αναπαράγουμε, μπορούμε να δούμε ότι η συνολική μάζα των μεμονωμένων πρωτονίων και νετρονίων είναι πάντα μεγαλύτερη από ό,τι όταν συναρμολογούνται ως ένας ενιαίος πυρήνας.

Το ελάττωμα μάζας είναι η διαφορά μάζας μεταξύ του αθροίσματος των μεμονωμένων νουκλεονίων και του αθροίσματος των γινομένων. Η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σπάσει τον πυρήνα σε πρωτόνια και νετρόνια και πάλι ορίζεται ως ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο. Όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια δέσμευσης, τόσο πιο δύσκολο θα είναι να χωρίσουμε τα υποατομικά σωματίδια από τον αντίστοιχο πυρήνα τους.

Ξεκινώντας με το Η2, η ενέργεια δέσμευσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός. Ως αποτέλεσμα, το He (ήλιο) έχει υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο από το υδρογόνο, το Li έχει υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης (σε KJ/mol) από το ήλιο, το βηρύλλιο έχει υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης από το λίθιο και ούτω καθεξής. Αυτό το μοτίβο συνεχίζεται μέχρι να φτάσουμε στο σίδερο. Μετά από αυτό μειώνεται σταδιακά.

Καμπύλη ενέργειας δέσμευσης

Η ενέργεια δέσμευσης υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των νουκλεονίων με τη συνολική πυρηνική ενέργεια δέσμευσης. Στον σίδηρο, βλέπουμε μια κορυφή στην καμπύλη ενέργειας δέσμευσης στην περιοχή σταθερότητας, η οποία υποδηλώνει ότι είτε η διάσπαση βαρύτερων πυρήνων, γνωστή και ως σχάση, είτε η ένωση ελαφρύτερων πυρήνων, γνωστή και ως σύντηξη, παράγει πυρήνες που είναι πιο στενά συνδεδεμένοι αλλά έχουν μικρότερη μάζα ανά νουκλεόνιο.

Εξήγηση καμπύλης ενέργειας πυρηνικής δέσμευσης

Όταν τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενώνονται για να δημιουργήσουν ξανά έναν πυρήνα, το ελάττωμα μάζας (συντομογραφία ως Δm) μετατρέπεται στην ίδια ποσότητα ενέργειας (Δmc2), που είναι η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα.

Ο τύπος ενέργειας δέσμευσης, Δmc2, συχνά γνωστός ως Εξίσωση Ενέργειας-Μάζας του Αϊνστάιν, χρησιμοποιείται εδώ.

Δ m =(εκτιμώμενη μάζα του μη δεσμευμένου συστήματος) ή αλλαγή μάζας (μετρούμενη μάζα του συστήματος) 

Στην πυρηνική φυσική, για παράδειγμα, ο τύπος είναι: 

Δm =(άθροισμα μαζών νετρονίων και πρωτονίων) − (η μετρούμενη μάζα ενός πυρήνα) 

c =3 x 108 m/s.

Συμπέρασμα

Η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση ενός πυρήνα στα συστατικά του ηλεκτρόνια και πρωτόνια ονομάζεται ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων. Ξεκινώντας με το άτομο υδρογόνου, η ενέργεια δέσμευσης αυξάνεται καθώς κατεβαίνουμε την ομάδα μέχρι τον σίδηρο, μετά από την οποία υπάρχει σταδιακή μείωση της ενέργειας δέσμευσης.