VAZEBNÁ ENERGIE A ENERGIE REAKCE

Pronikání do mikrosvěta molekuly se skládají z atomů atomy se skládají z jader a elektronů jádra se skládají z protonů a neutronů protony a neutrony se skládají z kvarků výraz „skládá se“ známe (a chápeme) z běžného života Tento pojem je třeba ale ve fyzice přesně definovat. V životě užíváme běžně obraty jako „dům se skládá z cihel“, „třída se skládá ze žáků“, „věta se skládá ze slov“. Ale i v tomto použití je třeba dávat pozor na přesné vymezení pojmu: je rozdíl mezi volně ležící cihlou na zemi a cihlou ve zdi domu, žák jako jednotlivec se chová jinak než ve třídě, slovo nabývá svého konkrétního významu teprve, je-li použito ve větě. Dům je sice možno z cihel postavit a opět rozebrat, vyžaduje to však energii, maltu, lešení atd. Ilustrativní obrázek atomární struktury.

Vazebná energie dům postavíme z cihel a můžeme jej rozebrat dodáváme energii, konáme práci jádro a elektrony se přitahují elektrickými silami nukleony vážou v jádře jaderné síly U každého systému pak hovoříme o tzv. vazebné energii Ev Jistou vazebnou energii má jak dům složený z cihel, tak i jádro složené z nukleonů. Definice dle [1]. Ilustrativní obrázek. Vazebná energie  soustavy je rovna práci, kterou je nutné vykonat k rozložení soustavy na její jednotlivé části.

Vazebná energie Einsteinův vztah každé změně energie ΔE odpovídá změna hmotnosti Δm c je velikost rychlosti světla ve vakuu Dodáváme-li tedy soustavě energii, zvětšujeme zároveň i její hmotnost a naopak. Nastávají dva případy. c = 2,99792458.108 m.s-1  3.108 m.s-1 Ilustrativní fotografie Alberta Einsteina.

Dodaná energie 1. – soustava je stabilní k rozložení na jednotlivé části vykonáme kladnou práci, tj. dodáme energii Po rozložení soustavy je součet klidových hmotností všech částí větší než původní klidová hmotnost soustavy. V případě, že chceme soustavu z částí opět složit v jeden celek, klesne její klidová hmotnost a uvolní se při tom energie. Rozložení na „stavební kameny“ domu, molekuly, atomu, … Ilustrativní obrázek znázorňující štěpení uranu.

Uvolněná energie 2. – soustava je nestabilní při jejím rozpadu na části se energie uvolňuje Součet klidových hmotností jednotlivých částí je menší než původní klidová hmotnost soustavy. Pokusíme-li se soustavu z těchto částí složit dohromady, musíme vykonat kladnou práci, tj. dodat energii. Radioaktivní nuklidy, … Ilustrativní obrázky.

Jednotka vazebné energie V atomové a jaderné fyzice měříme energii v elektronvoltech (eV). Je to vedlejší jednotka soustavy SI pro energii. Energii 1 eV získá částice s elementárním nábojem e urychlená napětím 1V, tedy 1 eV = 1,602.10-19 J Atomoví a jaderní fyzikové často používají jednotky elektronvoltů a jejich násobky i k vyjádření hmotnosti částic. Z fyzikálního pohledu je to nestandardní, vycházejí z Einsteinova vztahu mezi hmotností a energií. Nicméně pro snazší orientaci v problematice je to přehlednější (odpadají nepřesnosti a zdlouhavé čtení resp. zapisování hmotností částic pomocí mocnin deseti). Ve skutečnosti vlastně mluví o klidové energii dané částice. Pokud tedy jaderný fyzik řekne: „Hmotnost elektronu je 0,5 MeV!“ má tím na mysli, že „Klidová energie elektronu je 0,5 MeV!“ Ilustrativní obrázek.

Hmotnostní úbytek Úbytek klidové hmotnosti soustavy odpovídající vazebné energii se nazývá hmotnostní úbytek B. Je-li soustava tvořena částicemi o klidových hmotnostech m1, m2, …, mn a má-li jako celek klidovou hmotnost m, bude pro vazebnou energii a hmotnostní úbytek platit hmotnostní úbytek – hmotnostní schodek, hmotnostní deficit Celková klidová hmotnost soustavy je podle speciální teorie relativity rovna součtu klidových hmotností částí soustavy zmenšenému o hmotnostní úbytek. Uvolněná energie odpovídající hmotnostnímu úbytku se mění na kinetickou energii rozlétávajících se částí a na energii fotonů. Hmotnostní úbytek si můžeme představit na kostkách stavebnice Lego, které mají dohromady, rozloženy, hmotnost 1 kg. Pokud bychom tyto kostky všechny složily např. v domeček z Lega, výsledný dům by měl hmotnost menší (právě díky vazebné energii spojující kostky Lega dohromady). Definice dle [1]. Ilustrativní obrázek.

Hmotnostní úbytek Hmotnostní úbytek při chemických reakcích je neměřitelně malý. Vazebná energie atomů v molekulách má řádově velikost elektronvoltů, 1 eV odpovídá hmotnostní úbytek Např. spálíme-li jeden kilogram uhlíku, uvolní se energie asi 3,2.107 J odpovídající hmotnostnímu úbytku 3,6.10-10 kg, což nemůžeme vážením zjistit.

Energie reakce charakterizuje energetickou bilanci reakce (chemické nebo jaderné reakce) energie, kterou z dané reakce získáme, zmenšená o energii, kterou bylo nutné do reakce dodat, aby reakce vůbec proběhla.

Energie reakce 1. – energie se při reakci uvolňuje a jedná se o exoenergetickou reakci 2. – energie se při reakci spotřebovává a jde o endoenergetickou reakci Probíhá-li reakce opačným směrem, mění energie reakce znaménko. H + H  H2 , Er = 4,3 eV O3  O2 + O, Er = 1,4 eV Ilustrativní obrázky.

Energie reakce do reakce vstupuje n částic s klidovými hmotnostmi m1, m2, …, mn z reakce vystupuje p částic s klidovými hmotnostmi m1‘, m2‘, …, mn‘ energii reakce píšeme ve tvaru: Vazebná energie nukleonů v jádře je řádově 106 krát větší než energie chemická a udává se tedy v MeV. Je výhodné udávat i klidové hmotnosti jader a částic přímo v energetických jednotkách mc2. Klidové hmotnosti jednotlivých částic odpovídají hodnotám mec2 = 0,511 MeV, mpc2 = 938,28 MeV, mnc2 = 939,57 MeV. Atomové hmotnostní konstantě muc2 = 931,50 MeV. Vazebné energie připadající v jádře na jeden nukleon jsou v rozmezí 7 – 9 MeV a představují asi 1% klidové hmotnosti nukleonů, jejíž uvolnění se projevuje již měřitelným hmotnostním úbytkem. Výraznější situace je na úrovni kvarků, jejichž vazebná energie odpovídá řádově několika GeV a je srovnatelná s jejich klidovou energií. Při ještě vyšších energiích se setkáme se zdánlivě absurdní situací. Urychlíme-li částice na tak vysokou energii, která převyšuje jejich klidové energie, může při jejich srážkách vznikat i mnoho částic těžších, než jsou částice původní nebo dokonce s nimi totožné. Podle Einsteinova vztahu dostatečně vysoké energie odpovídají i dostatečně velké relativistické hmotnosti a o tu se potom mohou rozdělit celé plejády částic. Potom skutečně nevystačíme s jednoduchou představou částic jako stavebnice. Ilustrativní obrázek.

Opakování složenou soustavu charakterizujeme vazebnou energií Ev (1 eV = 1,602.10-19 J) stabilní (k rozložení dodáme energii) nestabilní (při rozkladu se energie uvolňuje) hmotnostní úbytek B energie reakce Er Rozměry jsou řádově 10-10 m, hmotnost řádově 10-27 kg, energie vazeb je řádově 10-19 J. Připomínka pro hmotnostní úbytek B platí: m je klidová hmotnost soustavy, mi klidová hmotnost částí. 12/13

POUŽITÉ ZDROJE Štoll I.: Fyzika pro gymnázia/ Fyzika mikrosvěta, Prometheus, Praha 2008. http://fyzika.jreichl.com http://cs.wikipedia.org http://www.freedigitalphotos.net Grafická úprava a ilustrace: Marie Cíchová 13/13