Sidosenergia

Wikipedia

Sidosenergia on energiamäärä, joka tarvitaan kokonaisuuden purkamiseksi yksittäisiin osiin. Sidotulla systeemillä on matalampi potentiaalienergia kuin sen rakenneosilla; tämä pitää systeemin kasassa, se vastaa positiivista sidosenergiaa.

Atomiydintasolla, sidosenergia johdetaan vahvasta vuorovaikutuksesta ja se vastaa energiamäärää, joka tarvitaan atomiytimen purkamiseksi neutroneiksi ja protoneiksi.
Atomitasolla, sidosenergia johdetaan sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta ja se vastaa energiamäärää, joka tarvitaan atomin purkamiseksi elektroneiksi ja atomiytimeksi.

Tähtifysiikassa, tähtitieteellisen kappaleen painovoiman sidosenergia vastaa energiaa, joka tarvitaan ko. kappaleen hajottamiseksi avaruuspölyksi. Tätä ei pidä sekoittaa painovoiman potentiaalienergiaan, joka erottaa esim. avaruuskappaleen ja satelliitin toisistaan äärettömälle etäisyydelle, säilyttäen molemmat muutoin ennallaan.

Sidottu systeemi on alemmalla energiatasolla, joten sen massan täytyy olla pienempi kuin sen muodostavien yksittäisten ei-sidottujen osien massojen summa. Ydinsidosenergia voidaan laskea ytimen massan ja sen muodostavien protoneiden ja neutroneiden massojen erotuksena. Kun tämä massojen ero (mass defect) tiedetään, voidaan Einsteinin kaavaa (E = mc²) käyttää laskettaessa minkä tahansa ytimen sidosenergiaa.

Energiamäärä, joka vapautuu joko fuusioreaktiossa tai fissiossa on polttoaineen sidosenergian ja fuusio/fissio tuotteiden sidosenergian erotus.

[muokkaa] Deuteronin sidosenergia ²H

Deuteroni on deuterium atomin ydin ja se koostuu yhdestä protonista ja yhdestä neutronista. Rakenneosien massat ovat:

m_protoni = 1.007276 u (u on atomimassayksikkö)

m_neutroni= 1.008665 u

m_protoni + m_neutroni = 1.007276 + 1.008665 = 2.015941 u

Deuteronin massa on:

Atomimassa ²H = 2.013553 u

Massan erotus = 2.015941 - 2.013553 = .002388 u, ja muunnos lepomassan ja energian välillä on 931.494MeV/u, joten deuteronin sidosenergia on

0.002388 × 931.494 MeV/u = 2.224 MeV

Toisin ilmaistuna sidosenergia on 0,1 % massaa vastaavasta kokonaisenergiasta, eli 90 TJ/kg.

[muokkaa] Ytimien sidosenergiakäyrä

Keveimmillä alkuaineilla vedystä natriumiin on kasvava sidosenergia ydinhiukkasta kohti atomimassan kasvaessa. Sidosenergia pysyy stabiilina alkuaineilla magnesiumista ksenoniin. Tätä raskaammilla alkuaineilla sidosenergia vähenee ydinhiukkasta kohti atomimassan kasvaessa. Rauta on stabiilein ja lujimmin sitoutunut alkuaine. Fuusio tuottaa energiaa yhdistämällä kevyitä alkuaineita vakaampiin, lujemmin sitoutuneisiin alkuaineisiin kuten vetyä heliumiin. Fissio puolestaan tuottaa energiaa halkaisemalla raskaita alkuaineita kuten uraania tai plutoniumia tiukemmin sitoutuneisiin stabiileiksi alkuaineiksi.