Енергија на сврзување на атомското јадро или јадрена енергија на сврзување — енергија што е потребна за „расцепување“ на атомското јадро на неговите составни делови — нуклеони (протони и неутрони). Јадрената енергија на сврзување е обично позитивен број. Масата на јадрото е секогаш помала од збирот на масите на мирување на слободните нуклеони. Оваа разлика е мерка за јадрената енергија на сврзување, која е резлутат на силите кои го одржуваат јадрото во целина. При расцепувањето на јадрото, дел од неговата маса (т.е. некои нуклеони) се претвора(ат) во огромни количини енергија (според Ајнштајновата релација E=mc2, па масата се отстранува од вкупната првобитна маса на честичките и недостасува на крајот од процесот. Недостатокот од маса се нарекува дефект на масата на атомското јадро, а е претставен преку ослободената енергија при образувањето на јадрото.
Терминот јадрена енергија на сврзување може да се однесува и на енергетската рамнотежа во реакции каде јадрото се раздвојува во делови кои содржат повеќе од еден нуклеон. Во овој случај, енергиите на сврзување на добиените делови имаат повисока енергија во споредба со онаа на првобитната целина. Доколку е достапна нова енергија на сврзување при врзување на лесни јадра или расцепување на тешки јадра, истата се ослободува и станува достапна како јадрена енергија. Може да послужи како извор на струја или како суровина за јадрено оружје. При расцепување на големо јадро вишокот енергија се емитува како фотони (гама-зрачење) и кинетичка енергија на производите на јадрено цепење.
Јадрените енергии и сили на сврзување се милиони пати поголеми од енергиите на сврзување на електроните на лесни атоми како водородниот.
Дефект на масата на атомско јадро е разликата меѓу масата на јадрото и збирот од масите на неговите компоненти. За определување на енергијата на сврзување има три чекори на пресметки — создавање на дефектот на масата преку отстранување маса во вид ослободена енергија.
Вовед
Јадрената енергија на сврзување се објаснува преку основните принципи на јадрената физика.
Јадрена енергија До апсорпција или емисија на јадрена енергија доаѓа при јадрени реакции или радиоактивно распаѓање; оние за кои е потребна апсорпција на енергија се ендотермни реакции, а оние при кои се ослободува енергија се егзотермни процеси. До консумирање или ослободување на енергија доаѓа пораи разлики во јадрените енергии на сврзување на реактантите и производите на јадрената трансмутација.
Најпознати класи егзотермни јадрени трансмутации се јадрено цепење и соединување. Јадрена енергија може да се ослободи со цепење, кога тешко јадро (ураниумско, плутониумско) се расцепува на полесни јадра. Енергијата од цепењето на многу места се користи за создавање електрична енергија. При јадрено соединување, пак, се ослободува енергија како резултат на спојување (врзување) полесни јадра (на пример водородно) за да се добијат потешки. Сонцето и други ѕвезди произведуваат топлинска енергија преку јадрено соединување, кое претставува вид ѕвездена нуклеосинтеза. При било кој егзотермен процес, јадрената маса на крајот може да се претвори во топлинска енергија, која зрачејќи топлина ја оддава масата.
За мерење на ослободената/апсорбираната енергија при јадрена трансмисија, мора да се знаат јадрените енергии на сврзување на учесниците во реакцијата.
Јадрена сила Електроните и јадрата замно си дејствуваат и меѓусебно се држат благодарение на електростатичката привлечност. Соседни атоми можат да делат електрони или еден атом да му предаде електрони на друг, соседен атом (преку процеси од квантна физика) односно два или повеќе атоми можат да образуваат хемиска врска.
Електричните сили не се тие кои ги држат јадрата заедно, затоа што нивните протони, кои имаат ист, позитивен полнеж, се одбиваат. Напротив, дејствуваат одбивно, настојувајќи да ги оддалечат едно од друго. Се утврдило дека за врзување на неутроните за јадрото мора да постои неелектрична привлечна сила.
Нуклеоните во јадрото заедно ги држи т.н. јадрена сила ( резидуална силна сила). Таа е остатокот од меѓусебната силна интеракција, која ги поврзува кварковите во нуклеоните на уште помала оддалеченост.
Јадрената сила мора да биде поголема од електричното одбивање на мали растојанија, но послаба на голема оддалеченост за да не дојде до спојување на различни јадра. Затоа таа дејствува на многу мали растојанија. Аналогна на јадрената е силата меѓу два мали магнета: тешко е да се одвојат кога се заедно, но штом тоа ќе се стори, привлечната сила меѓу нив речиси целосно замрува.
За разлика од гравитацијата и електричните сили, јадрената сила е делотворна само на многу куси растојанија. На поголеми доминира електростатичката сила: протоните се одбиваат меѓусебно поради истоимениот полнеж. Затоа, на пример во балон исполнет со водород, протоните кои го даваат обичниот водород не стапуваат во интеракција за да формираат хелиум. Не можат да се доближат доволно за да може да почне дејствува јадрената сила, освен при екстремно високи притисок и температура (како во јадрото на ѕвезда).
Физика на јадрата Јадрата имаат различни димензии – со 1 протон во водородниот атом, 1 протон и 1 неутрон во деутериумовиот, 2 протона и 2 неутрона во хелиумовиот... Хелиумовото јадро има маса помала од сумата на масите на неговите нуклеони, а истиот феномен се среќава и кај речиси сите други атоми. Ова е пример за дефект на масата на јадрото.
Дефект на масата на атомското јадро Главната причина за „дефектот на масата“ е формулата на Алберт Ајнштајн: E = mc2, според која енергијата е правопропорционална со масата. Масата може да се разгледува како константна само кога телото се движи со брзина многупати помала од брзината на светлината. Според тоа, дефектот на масата на јадрото Δm е разлика меѓу збирот на масите на слободните протони и неутрони (масата на електроните е занемарливо мала, но може да се вклучи во збирот) и масата на јадрото. Δ Каде што: - маса на јадрото на атомот, - масен број, - реден број, - маса на еден слободен протон, - маса на еден слободен неутрон, - маса на еден електрон.
Ако целина од честички содржи вишок енергија, при мерење на нејзината маса се добива поголема вредност за истата, на пример експлозив пред и по експлозија има различна маса. Доколку, пак, за еден систем да се расчлени на неговите составни делови е потребно да се донесе енергија, неговата почетна маса е помала од онаа на деловите по нивното издвојување. Доведената енергија се „складира“ како потенцијална енергија и се манифестира како зголемена маса. Ова е доказ дека секаков вид енергија во рамките на еден систем се рагледува како маса.
Вториот од погоре опишаните случаи е случај кај јадра како хелиумовото, за чие расцепување на нуклеони мора да се доведе енергија. Во обратен случај, ако хелиумово јадро треба да се добие со врзување водородни јадра, се ослободува енергија. Енергијата може да се пресмета како E = Δmc2 за секое јадро, каде Δm е разликата меѓу масите на хелиумовото јадрои масата на четирите протони (и двата апсорбирани електрони за да се образуваат неутрони)
Кај елементи со јадра потешки од кислородот, а полесни од она на железото, енергија може да се ослободи со нивно добивање преку расцепување полесни елементи. Кај елементите чии јадра се потешки од железното, при расцепување на два дела едниот од нив ослободува енергија. Овој принцип се користи за добивање енергија со расцепување јадро на ураниум во јадрени реактори.
Причина што се случува обратен процес кај елементите по железото е сè поголемиот позитивен полнеж на јадрото. Иако електричната сила е послаба од јадрената, сепак има поголем опсег – во железно јадро, секој протон ги одбива другите 25, додека јадрената сила сврзува само блиски соседни нуклеони.
Со понатамошно зголемување на јадрата, ваквиот ефект станува сè подоминантен. До полониум (84 протони), јадрото веќе не може да го задржи големиот позитивен полнеж, па вишокот протони ги емитува како алфа-зрачење (емисија на стабилни хелиумови јадра, секое со по 2 протони и 2 неутрони). Поради овој процес на Земјата не можат да се најдат јадра со повеќе од 98 протони. Изотопи со најдолги полураспади по ураниумот (Z=92) се плутониум – 244 (80 милиони год.) и кириум-247 (16 милиони год.).
Сончева енергија на сврзување Еден процес на јадрено соединување започнал пред 5 милијарди години. Тогаш се формирало Сонцето од гас и прав привлечени од гравитацијата, од кои се формирале и планетите од Сончевиот Систем Сончевиот Систем. Гравитациската сила ослободила енергија која го загревала младото Сонце, како што и претпоставил американскиот физичар Хелмхолц.
Топлинската енергија била претставена преку движењето на атоми и молекули. Колку поголема температура имала група честички, толку поголема брзина добивале честичките, а и толку посилни биле судирите. Кога температурата во центарот на новооформеното Сонце станала добволно голема за судирите меѓу јадрата да ги надминат нивните одбивни сили за да може да дејствува јадрената сила, започнало „слепување“ на јадрата. Тогаш протоните се врзувале во деутериум, па хелиум, при што дел од нив преминувале во неутрони (и позитрони, кои се уништуваат при интегрирање со електроните). Оваа ослободена јадрена енергија денес ја одржува високата температура во јадрото на Сонцето, која истовремено ја одржува неговата денешна големина преку одржување на високиот притисок на гасот и не ѝ дозволува на гравитацијата да го намалува. Така, се воспоставила стабилна рамнотежа меѓу гравитацијата и притисокот.
Различни јадрени реакции доминираат во различни етапи на животот на Сонцето. Меѓу нив се протонско-протонската реакција и јаглеродно-азотниот циклус (кој вклучува потешки јадра чиј краен производ се повторно интегрирани протони кои образуват хелиум).
Посебна гранка на физиката, изучувањето на контролирано јадрено соединување, уште од 1950-тите се обидува да добие корисна енергија за загревање бојлери чија пареа ќе придвижува турбини кои ќе произведуваат струја, од процеси на соединување кои интегрираат мали јадра во поголеми. Сепак, не може да се создаде вештачки извор кој ќе ја имитира огромната маса на Сонцето која ги задржува реакциите само во своето јадро. Наместо тоа, за заробување на плазмата се користат силни магнетни полиња, кои, за жал, се многу нестабилни, а плазмата по кратко време успева да излезе од нив. Како гориво се користат тешки форми на водород кои полесно горат. Ваквото заробување е успешно трае само мал дел од секунда.
Интегрирање јадра Малите јадра поголеми од водородното може да образуваат поголеми и да ослободат енергија, но при интегрирање на такви јадра, ослободената енергија е многу помала од водородното соединување. Така е поради потребата од внесување надворешна енергија за да се спојат протните меѓу кои има одбивни електрични сили, додека ослободената енергија е само резултат на јадреното привлекување.
Соединувањето не ослободува енергија кога станува збор за елементи потешки од железо-26. Кај уште потешки јадра, не само што не се ослободува туки и потребно е да се донесе енергија за интегрирање јадра со слична големина. За совладување на одбивните сили кај толкави јадра не е доволна само енергијата која се ослободува од јадреното привлекување. Ако, пак, јадрата потешки од железото се расцепат, се ослободува енергија.
Меѓу јадрата потешки од она на оловото има толку големо електрично одбивање што многу од нив спонтано испуштаат хелиумови јадра (алфа-честички). Тоа е една од формите на радиоактивно однесување на одредени јадра. Овие јадра потешки од оловното (освен на бизмут, ториум, ураниум и плутониум) се распаѓаат толку брзо што не можат да се најдат во природата како примордијални нукиди. Но, можат да се добијат вештачки и при радиоактивните серии на полесни елементи. Колку е јадрото потешко, толку побрзо се распаѓа.