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物理学と化学において、結合エネルギーとは、粒子系から粒子を取り除くか、粒子系を個々の部分に分解するために必要な最小のエネルギー量である。 [1]前者の意味では、この用語は主に凝縮物質物理学、原子物理学、化学で使用され、原子核物理学では分離エネルギーという用語が使用される。結合系は通常、結合していない構成要素よりもエネルギーレベルが低い。相対性理論によれば、系の全エネルギーがΔ E減少すると、全質量がΔ m減少し、Δ mc 2 = Δ Eとなる。[2]
種類
結合エネルギーにはいくつかの種類があり、それぞれ異なる距離とエネルギースケールで作用します。結合システムのサイズが小さいほど、関連する結合エネルギーは高くなります。
質量とエネルギーの関係
結合したシステムは、その質量が結合していない構成物質の総質量よりも小さくなければならないため、通常、結合していない構成物質よりもエネルギー レベルが低くなります。結合エネルギーが低いシステムの場合、結合後に「失われた」質量はごくわずかですが、結合エネルギーが高いシステムの場合、失われた質量は簡単に測定できる割合になります。この失われた質量は、結合プロセス中に熱または光の形でエネルギーとして失われる可能性があり、除去されたエネルギーは、アインシュタインの方程式E = mc 2によって除去された質量に対応します。結合プロセスでは、システムの構成要素は質量を保持したまま、核/原子/分子のより高いエネルギー状態に入る可能性があるため、質量が減少する前に、それらをシステムから除去する必要があります。システムが通常の温度まで冷却され、エネルギー レベルに関して基底状態に戻ると、最初に結合して高エネルギーであったときよりも質量が少なくなります。この熱の損失は「質量不足」を表し、熱自体は失われた質量を保持します（最初のシステムの観点から）。この質量は、熱を吸収して熱エネルギーを得る他のシステムにも現れます。[8]
たとえば、2 つの物体が空間で重力場によって互いに引き合っている場合、引力によって物体が加速され、速度が増加して、位置エネルギー (重力) が運動エネルギーに変換されます。衝突時に粒子が相互作用せずに互いを通過するか弾性反発すると、得られた運動エネルギー (速度に関連) が位置エネルギーに戻り始め、衝突した粒子を引き離します。減速した粒子は最初の距離に戻り、さらに無限大に進むか、停止して衝突を繰り返します (振動が起こります)。これは、エネルギーを失わないシステムが結合 (結合) して固体にならず、その一部が短距離で振動しないことを示しています。したがって、粒子を結合するには、引力によって得られた運動エネルギーを抵抗力によって消散させる必要があります。衝突する複雑な物体は通常、非弾性衝突を起こし、運動エネルギーの一部が内部エネルギー（熱量、つまり原子の運動）に変換され、さらに光子（光と熱）の形で放射されます。重力から逃れるためのエネルギーが衝突で散逸すると、部品はより近い距離（おそらく原子距離）で振動し、1 つの固体のように見えます。物体を分離するためのポテンシャル障壁を克服するために必要なこの失われたエネルギーが結合エネルギーです。この結合エネルギーが熱としてシステム内に保持される場合、その質量は減少しませんが、熱放射としてシステムから失われた結合エネルギー自体に質量があります。これは、冷たい結合システムの「質量不足」を直接表します。
化学反応や核反応にも、よく似た考察が当てはまります。閉鎖系での発熱化学反応では質量は変化しませんが、反応熱が除去されると質量は小さくなります。ただし、この質量変化は標準装置で測定するには小さすぎます。核反応では、光や熱として除去できる質量の割合、つまり結合エネルギーは、システム質量のかなり大きな割合を占めることが多いです。したがって、反応物と（冷却された）生成物の静止質量の質量差として直接測定できます。これは、化学反応で熱を生成する電子と陽子の相互作用に関連するクーロン力よりも、核力が比較的強いためです。
大量変化
結合系、特に原子核における質量の変化（減少）は、質量欠損、質量不足、または質量充填率とも呼ばれる。[要出典]
非結合系で計算された質量と実験的に測定された原子核の質量（質量変化）の差は Δ mと表され、次のように計算できます。
- 質量変化 = (非結合システムの計算質量) − (システムの測定質量)
- 例えば（陽子と中性子の質量の合計）−（原子核の測定質量）
核反応が起こり、励起された原子核が生じたあと、非励起状態に崩壊するために放射されるか、結合エネルギーとして除去されなければならないエネルギーは、いくつかの形態のいずれかになります。これは、ガンマ線などの電磁波、内部転換崩壊における電子などの放出された粒子の運動エネルギー、またはベータ崩壊の粒子などの放出された 1 つ以上の粒子の静止質量の一部である可能性があります。理論上は、この放射線またはこのエネルギーが放出されてシステムの一部でなくなるまで、質量不足は発生しません。
核子が結合して原子核を形成するとき、それらは少量の質量を失う必要があります。つまり、結合したままでいるためには質量が変化するのです。この質量変化は、E = mc 2の関係に従って、上記のようにさまざまな種類の光子またはその他の粒子エネルギーとして放出されなければなりません。したがって、結合エネルギーが除去された後、結合エネルギー = 質量変化 × c 2となります。このエネルギーは、核子をまとめる力の尺度です。これは、核子が個々の核子に分解されるために環境から再供給されなければならないエネルギーを表します。
たとえば、重水素原子の質量欠損は 0.0023884 Da で、その結合エネルギーは 2.23 MeV にほぼ等しくなります。つまり、重水素原子を崩壊させるには 2.23 MeV のエネルギーが必要です。
核融合または核分裂の際に放出されるエネルギーは、「燃料」、つまり最初の核種の結合エネルギーと、核分裂または核融合生成物の結合エネルギーの差です。実際には、このエネルギーは、既知の核種の原子質量の以前の測定値を使用して、燃料と生成物の実質的な質量差から計算することもできます。既知の核種の原子質量は、常にそれぞれの種で同じ質量を持ちます。この質量差は、発生した熱と放射線が除去された後に現れます。これは、このような計算に含まれる (励起されていない) 核種の (静止) 質量を測定するために必要です。
参照
参考文献
- ^ ロルフ、ジェームズ・ウィリアム (1994)。αからZ°までの現代物理学。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p. 20。ISBN 0471572705。
- ^ アイスバーグ、ロバート; レズニック、ロバート (1985)。原子、分子、固体、核、粒子の量子物理学(第 2 版)。ジョン ワイリー アンド サンズ。p. 524。ISBN 047187373X。
- ^ IUPAC、化学用語集、第2版（「ゴールドブック」）（1997年）。オンライン修正版：（2006年～）「イオン化エネルギー」。doi ： 10.1351 /goldbook.I03199
- ^ 「結合エネルギー」。原子力。 2015年5月16日閲覧。
- ^ ボダンスキー、デイビッド（2005年）。原子力エネルギー：原理、実践、展望（第2版）。ニューヨーク：シュプリンガーサイエンス+ビジネスメディアLLC。p.625。ISBN 9780387269313。
- ^ ウォン、サミュエル SM (2004)。核物理学入門（第2版）。ワインハイム：Wiley- VCH。pp.9-10。ISBN 9783527617913。
- ^ Karliner、Marek、Jonathan L. Rosner。「二重に重いバリオンによる核融合のクォークレベルの類似物」。Nature 551.7678 (2017): 89。
- ^ EF TaylorとJA Wheeler、「Spacetime Physics」、WH Freeman and Co.、NY。1992年、ISBN 0716723271、核爆弾の爆発後、熱が逃げるまで質量は一定のままであるという議論については、248〜249ページを参照。
外部リンク
- 核結合エネルギー
- 質量と核種の安定性
- 実験的原子質量データは 2003 年 11 月にまとめられ、2008 年 9 月 23 日にWayback Machineにアーカイブされました。