VAZEBNÁ ENERGIE A ENERGIE REAKCE

Prezentace na téma: "VAZEBNÁ ENERGIE A ENERGIE REAKCE"— Transkript prezentace:

1 VAZEBNÁ ENERGIE A ENERGIE REAKCE

2 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.

3 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.

4 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, m.s-1  m.s-1 Ilustrativní fotografie Alberta Einsteina.

5 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.

6 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.

7 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, 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.

8 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.

9 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,  kg, což nemůžeme vážením zjistit.

10 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.

11 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.

12 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.

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

14 POUŽITÉ ZDROJE Štoll I.: Fyzika pro gymnázia/ Fyzika mikrosvěta, Prometheus, Praha 2008. Grafická úprava a ilustrace: Marie Cíchová 13/13