CHE COS'è L'ENERGIA VINCOLANTE?

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Hai mai dato un'occhiata a un pezzo di legna da ardere e ti sei detto: "Accidenti, mi chiedo quanta energia ci vorrebbe per dividere quella cosa"? Le probabilità sono, no non lo hai fatto, poche persone lo fanno. Ma per i fisici, chiedere quanta energia è necessaria per separare qualcosa nei suoi componenti è in realtà una domanda piuttosto importante.

Nel campo della fisica, questo è ciò che è noto come energia di legame, o la quantità di energia meccanica che sarebbe necessaria per disassemblare un atomo nelle sue parti separate. Questo concetto è utilizzato dagli scienziati su molti livelli diversi, che include il livello atomico, il livello nucleare e in astrofisica e chimica.

Forza nucleare:

Come sicuramente tutti quelli che ricordano la chimica o la fisica di base, gli atomi sono composti da particelle subatomiche note come nucleoni. Sono costituiti da particelle cariche positivamente (protoni) e particelle neutre (neutroni) che sono disposte al centro (nel nucleo). Questi sono circondati da elettroni che orbitano attorno al nucleo e sono disposti in diversi livelli di energia.

Il motivo per cui particelle subatomiche che hanno cariche fondamentalmente diverse sono in grado di esistere così vicine tra loro è a causa della presenza di Forza nucleare forte - una forza fondamentale dell'universo che consente di attrarre particelle subatomiche a brevi distanze. È questa forza che contrasta la forza repulsiva (nota come Forza di Coulomb) che provoca il respingimento reciproco delle particelle.

Pertanto, qualsiasi tentativo di dividere il nucleo nello stesso numero di neutroni e protoni liberi non associati - in modo che siano abbastanza / lontani l'uno dall'altro che la forte forza nucleare non può più far interagire le particelle - richiederà abbastanza energia per rompersi questi legami nucleari.

Pertanto, l'energia di legame non è solo la quantità di energia richiesta per rompere forti legami di forza nucleare, ma è anche una misura della forza dei legami che tengono insieme i nucleoni.

Fissione nucleare e fusione:

Per separare i nucleoni, l'energia deve essere fornita al nucleo, che di solito si ottiene bombardando il nucleo con particelle ad alta energia. In caso di bombardamento di nuclei atomici pesanti (come atomi di uranio o plutonio) con protoni, questo è noto come fissione nucleare.

Tuttavia, l'energia di legame svolge anche un ruolo nella fusione nucleare, in cui i nuclei di luce insieme (come gli atomi di idrogeno), sono legati insieme in stati di alta energia. Se l'energia di legame per i prodotti è maggiore quando i nuclei leggeri si fondono o quando i nuclei pesanti si spaccano, uno di questi processi si tradurrà in un rilascio dell'energia di legame "extra". Questa energia viene definita energia nucleare o vagamente energia nucleare.

Si osserva che la massa di qualsiasi nucleo è sempre inferiore alla somma delle masse dei singoli nucleoni costituenti che lo compongono. La "perdita" di massa che si verifica quando i nucleoni vengono divisi per formare un nucleo più piccolo, o si fondono per formare un nucleo più grande, è anche attribuita a un'energia di legame. Questa massa mancante può essere persa durante il processo sotto forma di calore o luce.

Una volta che il sistema si raffredda alle temperature normali e ritorna agli stati fondamentali in termini di livelli di energia, nel sistema rimane meno massa. In tal caso, il calore rimosso rappresenta esattamente il "deficit" di massa e il calore stesso mantiene la massa persa (dal punto di vista del sistema iniziale). Questa massa appare in qualsiasi altro sistema che assorbe il calore e guadagna energia termica.

Tipi di energia vincolante:

A rigor di termini, ci sono diversi tipi di energia di legame, che si basa sul particolare campo di studio. Quando si tratta di fisica delle particelle, l'energia di legame si riferisce all'energia che un atomo deriva dall'interazione elettromagnetica, ed è anche la quantità di energia richiesta per disassemblare un atomo in nucleoni liberi.

Nel caso di rimozione di elettroni da un atomo, una molecola o uno ione, l'energia richiesta è nota come "energia legante gli elettroni" (alias potenziale di ionizzazione). In generale, l'energia di legame di un singolo protone o neutrone in un nucleo è circa un milione di volte maggiore dell'energia di legame di un singolo elettrone in un atomo.

In astrofisica, gli scienziati usano il termine "energia di legame gravitazionale" per riferirsi alla quantità di energia che sarebbe necessaria per separare (all'infinito) un oggetto tenuto insieme dalla sola gravità - cioè qualsiasi oggetto stellare come una stella, un pianeta o un cometa. Si riferisce anche alla quantità di energia che viene liberata (di solito sotto forma di calore) durante l'accrescimento di un tale oggetto dal materiale che cade dall'infinito.

Infine, esiste la cosiddetta energia "di legame", che è una misura della forza del legame nei legami chimici, ed è anche la quantità di energia (calore) che sarebbe necessaria per scomporre un composto chimico nei suoi atomi costituenti. Fondamentalmente, l'energia vincolante è la cosa che lega insieme il nostro Universo. E quando varie parti di esso vengono scomposte, è la quantità di energia necessaria per eseguirla.

Lo studio sull'energia vincolante ha numerose applicazioni, non ultima la produzione di energia nucleare, elettricità e chimica. E nei prossimi anni e decenni, sarà intrinseco allo sviluppo della fusione nucleare!

Abbiamo scritto molti articoli sull'energia vincolante per Space Magazine. Ecco cos'è il modello atomico di Bohr? Che cos'è il modello atomico di John Dalton? Che cos'è il modello atomico di Plum Pudding? Che cos'è la massa atomica? E la fusione nucleare in stelle.

Se desideri maggiori informazioni sull'energia di legame, consulta l'articolo sull'iperfisica sull'energia di legame nucleare.

Abbiamo anche registrato un intero episodio del cast di astronomia tutto sui numeri importanti nell'universo. Ascolta qui, episodio 45: I numeri importanti nell'universo.

fonti: