Énergie de liaison - Binding energy

En physique et en chimie, l'énergie de liaison est la plus petite quantité d' énergie nécessaire pour retirer une particule d'un système de particules ou pour désassembler un système de particules en parties individuelles. Dans le premier sens, le terme est principalement utilisé en physique de la matière condensée, en physique atomique et en chimie, alors qu'en physique nucléaire, le terme énergie de séparation est utilisé.

Un système lié est généralement à un niveau d'énergie inférieur à celui de ses constituants non liés. Selon la théorie de la relativité, une diminution Δ E de l'énergie totale d'un système s'accompagne d'une diminution Δ M de la masse totale, où Δ M⋅c 2E .

Types d'énergie de liaison

Il existe plusieurs types d'énergie de liaison, chacun opérant sur une distance et une échelle d'énergie différentes. Plus la taille d'un système lié est petite, plus son énergie de liaison associée est élevée.

Taper La description Exemple Niveau
Énergie de liaison gravitationnelle L' énergie de liaison gravitationnelle d'un objet, tel qu'un corps céleste , est l'énergie nécessaire pour étendre le matériau à l'infini. Si un corps avec la masse et le rayon de la Terre était constitué uniquement d' hydrogène-1 , alors l'énergie de liaison gravitationnelle de ce corps serait d'environ 0,391658 eV par atome. Si un corps à hydrogène-1 avait la masse et le rayon du Soleil , son énergie de liaison gravitationnelle serait d'environ 1 195,586 eV par atome. Niveau astrophysique
Énergie de liaison ; Énergie de dissociation de liaison Énergie de liaison et l' énergie de dissociation de liaison sont des mesures de l'énergie de liaison entre les atomes dans une liaison chimique . C'est l'énergie nécessaire pour désassembler une molécule en ses atomes constitutifs. Cette énergie apparaît sous forme d'énergie chimique , telle que celle libérée lors d'explosions chimiques , de la combustion de carburant chimique et de processus biologiques . Les énergies de liaison et les énergies de dissociation de liaison sont typiquement de l'ordre de quelques eV par liaison. L'énergie de dissociation des liaisons d'une liaison carbone-carbone est d'environ 3,6 eV. Niveau moléculaire
Énergie de liaison électronique ; Énergie d'ionisation L'énergie de liaison des électrons , plus communément appelée énergie d'ionisation , est une mesure de l'énergie nécessaire pour libérer un électron de son orbitale atomique ou d'un solide. L'énergie de liaison des électrons provient de l' interaction électromagnétique de l'électron avec le noyau et les autres électrons de l' atome , de la molécule ou du solide et est médiée par les photons . Parmi les éléments chimiques, la gamme des énergies d'ionisation va de 3,8939 eV pour l'électron le plus externe dans un atome de césium à 11,567617 keV pour l'électron le plus interne dans un atome de cuivre . Niveau atomique
Énergie de liaison atomique L' énergie de liaison atomique de l'atome est l' énergie nécessaire pour désassembler un atome en électrons libres et en noyau. C'est la somme des énergies d'ionisation de tous les électrons appartenant à un atome spécifique. L'énergie de liaison atomique dérive de l' interaction électromagnétique des électrons avec le noyau, médiée par les photons . Pour un atome d' hélium , à 2 électrons, l'énergie de liaison atomique est la somme de l'énergie de première ionisation (24,587 eV) et de l'énergie de seconde ionisation (54,418 eV), pour un total de 79,005 eV. Niveau atomique
Énergie nucléaire de liaison L'énergie de liaison nucléaire est l'énergie nécessaire pour désassembler un noyau en neutrons et protons libres et non liés qui le composent. C'est l'équivalent énergétique du défaut de masse , la différence entre le nombre de masse d'un noyau et sa masse mesurée. L'énergie de liaison nucléaire dérive de la force nucléaire ou force résiduelle forte, qui est médiée par trois types de mésons . L'énergie de liaison nucléaire moyenne par nucléon varie de 2,22452 MeV pour l' hydrogène-2 à 8,7945 MeV pour le nickel-62 . Niveau nucléaire
Énergie de liaison de la chromodynamique quantique L'énergie de liaison de la chromodynamique quantique utilise à mauvais escient la dénomination de manque d'énergie. Il traite de la masse et de l'énergie cinétique des parties qui lient les différents quarks entre eux à l'intérieur d'un hadron . Cette énergie provient de l' interaction forte , qui est médiée par les gluons à travers les gluons virtuels et les quarks marins. L'énergie de liaison chromodynamique à l'intérieur d'un nucléon s'élève à environ 99 % de la masse du nucléon.

L'énergie de liaison chromodynamique d'un proton est d'environ 928,9 MeV, tandis que celle d'un neutron est d'environ 927,7 MeV. Une grande énergie de liaison entre les quarks bottom (280 MeV) provoque certaines réactions (théoriquement attendues) avec les baryons lambda pour libérer 138 MeV par événement.

Niveau de particule élémentaire

Relation masse-énergie

Un système lié est généralement à un niveau d'énergie inférieur à celui de ses constituants non liés car sa masse doit être inférieure à la masse totale de ses constituants non liés. Pour les systèmes à faible énergie de liaison, cette masse « perdue » après liaison peut être très petite, alors que pour les systèmes à haute énergie de liaison, la masse manquante peut être une fraction facilement mesurable. Cette masse manquante peut être perdue au cours du processus de liaison sous forme d'énergie sous forme de chaleur ou de lumière, l'énergie retirée correspondant à la masse retirée par l'équation d'Einstein E = mc 2 . Au cours du processus de liaison, les constituants du système peuvent entrer dans des états d'énergie plus élevés du noyau/atome/molécule tout en conservant leur masse, et pour cette raison, il est nécessaire qu'ils soient retirés du système avant que sa masse ne puisse diminuer. Une fois que le système se refroidit à des températures normales et revient à des états fondamentaux concernant les niveaux d'énergie, il contiendra moins de masse que lorsqu'il s'est combiné pour la première fois et était à haute énergie. Cette perte de chaleur représente le « déficit de masse », et la chaleur elle-même retient la masse qui a été perdue (du point de vue du système initial). Cette masse apparaîtra dans tout autre système qui absorbe la chaleur et gagne de l'énergie thermique.

Par exemple, si deux objets s'attirent dans l'espace à travers leur champ gravitationnel , la force d'attraction accélère les objets, augmentant leur vitesse, ce qui convertit leur énergie potentielle (gravité) en énergie cinétique. Lorsque les particules se traversent sans interaction ou se repoussent élastiquement pendant la collision, l'énergie cinétique acquise (liée à la vitesse) commence à se transformer en énergie potentielle, entraînant les particules en collision. Les particules en décélération reviendront à la distance initiale et au-delà dans l'infini, ou s'arrêteront et répéteront la collision (l'oscillation a lieu). Cela montre que le système, qui ne perd aucune énergie, ne se combine pas (se lie) en un objet solide, dont des parties oscillent à de courtes distances. Par conséquent, pour lier les particules, l'énergie cinétique acquise en raison de l'attraction doit être dissipée par la force résistive. Les objets complexes en collision subissent généralement une collision inélastique , transformant une certaine énergie cinétique en énergie interne (contenu thermique, qui est le mouvement atomique), qui est ensuite rayonnée sous forme de photons - la lumière et la chaleur. Une fois que l'énergie pour échapper à la gravité est dissipée lors de la collision, les pièces oscilleront à une distance plus proche, peut-être atomique, ressemblant ainsi à un seul objet solide. Cette énergie perdue, nécessaire pour surmonter la barrière potentielle pour séparer les objets, est l'énergie de liaison. Si cette énergie de liaison était retenue dans le système sous forme de chaleur, sa masse ne diminuerait pas, tandis que l'énergie de liaison perdue du système sous forme de rayonnement thermique aurait elle-même une masse. Il représente directement le "déficit de masse" du système froid et lié.

Des considérations très analogues s'appliquent aux réactions chimiques et nucléaires. Les réactions chimiques exothermiques dans les systèmes fermés ne changent pas de masse, mais deviennent moins massives une fois que la chaleur de réaction est éliminée, bien que ce changement de masse soit trop faible pour être mesuré avec un équipement standard. Dans les réactions nucléaires , la fraction de masse qui peut être éliminée sous forme de lumière ou de chaleur, c'est-à-dire l'énergie de liaison, est souvent une fraction beaucoup plus importante de la masse du système. Elle peut ainsi être mesurée directement comme une différence de masse entre les masses au repos des réactifs et des produits (refroidis). En effet, les forces nucléaires sont comparativement plus fortes que les forces coulombiennes associées aux interactions entre les électrons et les protons qui génèrent de la chaleur en chimie.

Changement de masse

Changement de masse (diminution) des systèmes liés, en particulier des noyaux atomiques, a également été appelé défaut de masse , le déficit de masse , ou la masse fraction de tassement .

La différence entre la masse calculée du système non lié et la masse de noyau mesurée expérimentalement (changement de masse) est notée Δ m . Il peut être calculé comme suit :

Variation de masse = (masse calculée du système non lié) − (masse mesurée du système)
par exemple (somme des masses de protons et de neutrons) − (masse mesurée du noyau)

Après qu'une réaction nucléaire se produise qui aboutit à un noyau excité, l'énergie qui doit être rayonnée ou autrement retirée en tant qu'énergie de liaison afin de se désintégrer à l'état non excité peut être sous l'une de plusieurs formes. Il peut s'agir d'ondes électromagnétiques, telles que les rayonnements gamma ; l'énergie cinétique d'une particule éjectée, telle qu'un électron, en décroissance de conversion interne ; ou en partie comme la masse résiduelle d'une ou plusieurs particules émises, telles que les particules de désintégration bêta . Aucun déficit de masse ne peut apparaître, en théorie, tant que ce rayonnement ou cette énergie n'a pas été émis et ne fait plus partie du système.

Lorsque les nucléons se lient pour former un noyau, ils doivent perdre une petite quantité de masse, c'est-à-dire qu'il y a un changement de masse pour rester lié. Ce changement de masse doit être libéré sous forme de divers types de photon ou d'autres particules d'énergie comme ci-dessus, selon la relation E = mc 2 . Ainsi, après l'élimination de l'énergie de liaison, énergie de liaison = changement de masse × c 2 . Cette énergie est une mesure des forces qui maintiennent les nucléons ensemble. Il représente l'énergie qui doit être réapprovisionnée à partir de l'environnement pour que le noyau soit décomposé en nucléons individuels.

Par exemple, un atome de deutérium a un défaut de masse de 0,0023884 amu et son énergie de liaison est presque égale à 2,23 MeV. Cela signifie qu'il faut 2,23 MeV d'énergie pour désintégrer un atome de deutérium.

L'énergie dégagée lors de la fusion nucléaire ou de la fission nucléaire est la différence des énergies de liaison du "combustible", c'est-à-dire du ou des nucléides initiaux, de celle des produits de fission ou de fusion. En pratique, cette énergie peut également être calculée à partir des différences de masse substantielles entre le combustible et les produits, qui utilise des mesures antérieures des masses atomiques de nucléides connus, qui ont toujours la même masse pour chaque espèce. Cette différence de masse apparaît une fois que la chaleur dégagée et le rayonnement ont été éliminés, ce qui est nécessaire pour mesurer les masses (au repos) des nucléides (non excités) impliqués dans de tels calculs.

Voir également

Les références

Liens externes