האם אי פעם התבוננת בקטע של עצי הסקה ואמרת לעצמך, "תני, אני תוהה כמה אנרגיה הייתה צריכה לפצל את הדבר הזה"? רוב הסיכויים הם, שלא, מעטים עושים זאת. אבל עבור פיזיקאים, השאלה כמה אנרגיה נדרשת כדי להפריד משהו לחלקים המרכיבים שלו היא למעשה שאלה חשובה למדי.
בתחום הפיזיקה, זה מה שמכונה אנרגיה קשירה, או כמות האנרגיה המכנית שנדרשת כדי לפרק אטום לחלקיו הנפרדים. מושג זה משמש מדענים ברבדים רבים ושונים, הכולל את הרמה האטומית, הרמה הגרעינית ובאסטרופיזיקה וכימיה.
כוח גרעיני:
כפי שיודע כל מי שזוכר את הכימיה או הפיזיקה הבסיסית שלו, האטומים מורכבים מחלקיקים תת-אטומיים המכונים נוקלאונים. אלה מורכבים מחלקיקים טעונים באופן חיובי (פרוטונים) וחלקיקים ניטרליים (נויטרונים) המסודרים במרכז (בגרעין). אלה מוקפים אלקטרונים המקיפים את הגרעין ומסודרים ברמות אנרגיה שונות.
הסיבה לכך שחלקיקים תת-אטומיים שיש להם מטענים שונים מהיסוד מסוגלים להתקיים כל כך קרוב זה לזה היא בגלל נוכחותו של כוח גרעיני חזק - כוח יסודי של היקום המאפשר למשוך חלקיקים תת-אטומיים במרחקים קצרים. הכוח הזה הוא המנוגד לכוח הדוחה (המכונה כוח קולומב) שגורם לחלקיקים להדוף זה את זה.
לכן, כל ניסיון לחלק את הגרעין לאותו מספר של נויטרונים ופרוטונים בלתי מוגבלים חופשיים - כך שהם יהיו רחוקים / רחוקים מספיק אחד מהשני כדי שהכוח הגרעיני החזק כבר לא יכול לגרום לחלקיקים לתקשר - ידרוש מספיק אנרגיה כדי לשבור אג"ח גרעיניות אלה.
לפיכך, אנרגיה קשירה היא לא רק כמות האנרגיה הנדרשת לשבירת קשרים בכוח גרעיני חזק, היא גם מדד לחוזק הקשרים המחזיקים את הגרעינים יחד.
ביקוע ואיחוי גרעיני:
על מנת להפריד בין גרעינים, יש לספק אנרגיה לגרעין, שבדרך כלל מושגת על ידי הפצצת הגרעין בחלקיקי אנרגיה גבוהה.. במקרה של הפגזת גרעינים אטומיים כבדים (כמו אטומי אורניום או פלוטוניום) בפרוטונים, זה ידוע בשם ביקוע גרעיני.
עם זאת, אנרגיה קשירה ממלאת גם תפקיד בהתמזגות גרעינית, שבה גרעינים קלים יחד (כמו אטומי מימן) קשורים זה לזה תחת מצבי אנרגיה גבוהים. אם האנרגיה המחייבת למוצרים גבוהה יותר כאשר גרעינים קלים מתמזגים, או כאשר גרעינים כבדים מתפצלים, כל אחד מהתהליכים הללו יביא לשחרור האנרגיה המחייבת "הנוספת". אנרגיה זו מכונה אנרגיה גרעינית, או באופן רופף כוח גרעיני.
נציין כי המסה של גרעין כלשהו היא תמיד פחות מסכום ההמונים של הגרעינים המרכיבים הבודדים המרכיבים אותו. "אובדן" המסה שנוצר כאשר מפוצלים גרעינים ליצירת גרעין קטן יותר, או מתמזגים ליצירת גרעין גדול יותר, מיוחס גם לאנרגיה מחייבת. המסה החסרה הזו עלולה ללכת לאיבוד במהלך התהליך בצורה של חום או אור.
ברגע שהמערכת מתקררת לטמפרטורות רגילות וחוזרת למצבי קרקע מבחינת רמות האנרגיה, נותר פחות מסה במערכת. במקרה זה, החום שהוסר מייצג בדיוק את "הגירעון" המוני, והחום עצמו שומר על המסה שאבדה (מבחינת המערכת הראשונית). מסה זו מופיעה בכל מערכת אחרת הסופגת את החום ומקבלת אנרגיה תרמית.
סוגים של אנרגיה מחייבת:
באופן קפדני, ישנם כמה סוגים שונים של אנרגיה מחייבת, המבוססת על תחום הלימוד המסוים. כשמדובר בפיזיקת החלקיקים, אנרגיה קשירה מתייחסת לאנרגיה שהאטום נובע מאינטראקציה אלקטרומגנטית, והיא גם כמות האנרגיה הנדרשת לפירוק האטום לגרעינים חופשיים.
במקרה של הוצאת אלקטרונים מאטום, מולקולה או יון, האנרגיה הנדרשת מכונה "אנרגיית קשירת אלקטרונים" (המכונה פוטנציאל יינון). באופן כללי, האנרגיה המחייבת של פרוטון או נויטרון בודדים בגרעין גדולה פי כמיליון מהאנרגיה המחייבת של אלקטרון בודד באטום.
באסטרופיזיקה, מדענים משתמשים במונח "אנרגיה מחייבת כבידה" כדי להתייחס לכמות האנרגיה שנדרשת כדי לפרק (לאינסוף) אובייקט המוחזק יחד על ידי כוח הכובד בלבד - כלומר כל אובייקט כוכב כמו כוכב, כוכב לכת, או כוכב שביט. זה מתייחס גם לכמות האנרגיה המשתחררת (בדרך כלל בצורה של חום) במהלך ההצטברות של חפץ כזה מחומר הנופל מהאינסוף.
לבסוף, יש מה שמכונה אנרגיית "קשר", שהיא מדד לחוזק הקשר בקשרים כימיים, והיא גם כמות האנרגיה (החום) שנדרשת כדי לשבור תרכובת כימית לאטומים המרכיבים אותה. בעיקרון, אנרגיה מחייבת היא הדבר שקושר את היקום שלנו יחד. וכאשר חלקים שונים ממנו מתפרקים, זו כמות האנרגיה הדרושה להוצאתה.
לחקר האנרגיה המחייבת יש מספר רב של יישומים, לא פחות מהם הם אנרגיה גרעינית, חשמל וייצור כימי. ובשנים והעשורים הבאים זה יהיה מהותי בהתפתחות היתוך גרעיני!
כתבנו מאמרים רבים על אנרגיה מחייבת עבור מגזין החלל. הנה מהו המודל האטומי של בוהר ?, מהו המודל האטומי של ג'ון דלטון ?, מהו המודל האטומי של פודינג שזיף ?, מהו המסה האטומית? והמיזוג הגרעיני בכוכבים.
אם תרצה לקבל מידע נוסף על אנרגיה מחייבת, עיין במאמר ההיפרפיזיקה בנושא אנרגיה מחייבת גרעין.
הקלטנו גם פרק שלם של אסטרונומיה קאסט שכולל את המספרים החשובים ביקום. האזינו כאן, פרק 45: המספרים החשובים ביקום.
מקורות:
- ויקיפדיה - מחייב אנרגיה
- היפרפיסיקה - אנרגיה מחייבת גרעין
- החברה הגרעינית האירופית - מחייבת אנרגיה
- אנציקלופדיה בריטניקה - אנרגיה מחייבת
