Seoseenergia

Seoseenergia on mehaaniline energia, mida on vaja rakendada, et purustada tervik osadeks. Mida suurem on seoseenergia, seda raskem on terviku lammutamine ja vastupidi. Näiteks elektroni seoseenergia aatomis on energiahulk, mis on tarvis elektronile anda, et teda oma orbitaalilt välja lüüa (muuta vabaks elektroniks). Aatomituuma seoseenergia on energia, mis on tarvis aatomituumale anda, et lõhkuda see üksikuteks nukleonideks. Süsteem, mis on seotud olekus, omab madalamat potentsiaalset energiat kui tema osad üksinda (tänu sellele püsibki süsteem koos). Seoseenergia kujutab endast mehaanilise töö hulka, mis on tarvis teha, et viia süsteemi osad teineteisest piisavalt kaugele, et nende edasine kaugemale nihutamine ei vajaks täiendavat tööd. Näiteks aatomituuma seoseenergia puhul loetakse selliseks kauguseks vahemaad, millest alates tuumajõud nukleonide vahel enam ei mõju. Et seotud süsteem omab vähem energiat kui tema osad eraldi võetuna, siis peab seotud süsteemi mass olema väiksem kui tema osade masside summa. See tuleneb massi ja energia võrdelisest seosest. Makromaailmas on see massivahe mõõtmise jaoks liiga väike, kuid aatomite tasemel on tegemist juba piisavalt suurte seoseenergiatega, mille puhul on massi kadu täiesti märgatav. Seega võib süsteemi seoseenergiat, selle vähenemist kujutada ka süsteemi osade massikaona, mis toimub nende süsteemiks ühinemisel. Mass muutub energiaks vastavalt Albert Einsteini massi-energia seosele. See energia võib väljenduda soojuse, valguse (kiirguse), aatomi/tuuma ergastatud olekuna või mingil muul moel. Kuni energia püsib meie poolt uuritavas süsteemis, ei ole veel tegemist massikaoga. Näiteks kui seoseenergia vabaneb soojusena, siis tekib massikadu alles pärast seda kui süsteem on taustsüsteemiga võrreldes maha jahtunud (andnud oma soojusenergia üle süsteemivälistele kehadele). Paras seoseenergia aatomite vahel, erinevad keemilised sidemed on need, mis hoiavad molekuli koos. See tähendab, et aatomid eraldi omavad rohkem energiat kui needsamad aatomid keemiliste sidemetega ühendatud molekulis. Molekuli seoseenergia on madalam, seega stabiilsem ja keemilised reaktsioonid, kus selline madalama energiaga ühend tekib on eksotermilised reaktsioonid. Süsteemi energia vähenemisest põhjustatud ülejääk antakse ära väliskeskkonda tavaliselt soojuse kujul. Sellist molekuli seoseenergiat saab graafiliselt kujutada energiapotentsiaali auguna. Aatomid paiknevad üksteisest paraja vahemaa kaugusel, nii et nendevaheline energia oleks minimaalne võimalik. Selles potentsiaaliaugus pole aatom paigal, vaid võngub liikudes võimaluste piirides aga august välja ta ei pääse. Selleks, et august pääseda, molekulist eralduda on aatomile vaja anda lisaenergiat. Praktilistel põhjustel ei mõõdeta mitte aatomituuma, vaid terve aatomi seoseenergiat. Nimelt on raskemate aatomituumade täielik ioniseerimine (kõigi elektronide eemaldamine) keeruline ülesanne ning ülisuurte tuumade puhul võib see kaasa tuua ka tuuma enneaegse lagunemise. Seetõttu peab arvestama, et kõikides tuumaandmete tabelites näidatakse tuuma "massikadu" ja "seoseenergia" neutraalse aatomi kohta. Näiteks deuteeriumi seoseenergia saame leida järgmise arutelu kaudu: Deuteerium koosneb prootonist (seisumassiga 1,007825 u) ja neutronist (seisumassiga 1,008665 u). mprooton + mneutron = 1,007825 u + 1,008665 u = 2,01649 u Deuteeriumi mass (eksperimentaalselt mõõdetud suurus) on 2H aatommass on 2,014102 u Deuteeriumi aatomi ja tema osade masside vahe on 2,01649 u – 2,014102 u = 0,002388 u. Kuna ühe u mass võrdub 931,494 MeV/c2, siis deuteeriumi seoseenergia on 0,002388 u × 931,494 MeV/uc2 = 2,224 MeV/c2 Aatomituuma seoseenergia on otseselt seotud tuuma moodustavate nukleonide vahel mõjuva tuumajõuga. Iga täiendav nukleon, mis tuuma lisandub, tõmbab teisi tuumas olevaid nukleone tuumajõuga enda poole. Kui vesiniku seoseenergia on null (vesiniku aatomituum koosneb ainult ühest prootonist, siis juba ühe neutroni lisamine tekitab seoseenergia 2,224 MeV/c2 (vt. eelmine näide). Vesinikust kuni naatriumini tuuma seoseenergia reeglina suureneb iga tuuma lisanduva nukleoniga. Sõltuvalt tuumaorbitaalist, kuhu täiendav nukleon asub, võib mõnel juhul tuuma seoseenergia veidi kahaneda (parim näide on heeliumi tuum, mille seoseenergia on liitiumi tuuma seoseenergiast palju suurem), kuid üldiselt hoiab iga järgnev nukleon siiski tuuma järjest kõvemini koos. Alates magneesiumist kuni ksenoonini jääb tuumade seoseenergia üsna samale tasemele. Selle põhjuseks on lisanduvate nukleonide tekitatud täiendava tuumajõu tasakaalustamine prootonite tekitatud omavahelise tõukejõuga. Tuum on kasvanud juba nii suureks, et lisandunud nukleoni tuumajõud ulatub ainult osade, mitte kõigi tuuma kuuluvate nukleonideni. Samas ei ole elektromagnetiline vastasmõju kaugusega piiratud ning iga lisanduv prooton tekitab tõukejõu kõigi tuuma kuuluvate prootonitega. Raskete elementide puhul hakkab lisanduvate prootonite täiendav tõukejõud ületama lisanduvate nukleonide täiendavat tõmbejõudu. Seetõttu hakkab alates raud-56'st täiendavate nukleonide lisandumisel tuuma seoseenergia kahanema, mitte kasvama. Raud-56 koos raud-58 ja nikkel-62 moodustavad seoseenergia tipu. Ülisuured tuumad, mille nukleonide arv on 210 või suurem, on ebastabiilsed ja lagunevad spontaanselt väiksemateks tuumadeks. Tuuma seoseenergiaga on seotud ka prootonite-neutronite suhe stabiilsetes tuumas. Väikestest tuumadest on kõige stabiilsemad (suurema seoseenergiaga) need isotoobid, milles on prootoneid ja neutroneid ühepalju. See tuleneb tuumajõu iseloomust – tuumajõudu vahendavaid virtuaalseid piioneid vahetavad kõige meelsamini (kõige suurema tõenäosusega) just prooton ja neutron omavahel. Näiteks ainult kahest prootonist koosnev heelium-2 on ülimalt ebastabiilne tuum. Suuremates tuumades, kus tuumajõud ei ulatu enam üle kogu tuuma, on energeetiliselt kasulikum omada rohkem neutroneid kui prootoneid. Seda põhjusel, et täiendav neutron mõjutab teisi nukleone tuumajõuga, kuid ei tekita täiendavat tõukejõudu. Mida suurem on tuum, seda rohkem lisaneutroneid peab ta omama. See selgitab ka põhjuse, miks tuumalõhustumisel vabaneb vabu neutroneid. Lõhustumise tulemusena tekkinud väiksemad tuumad lihtsalt ei vaja nii palju neutroneid kui oli lõhustunud tuumas. Nagu ülal kirjeldati, võib tuuma seoseenergia leida läbi massikao lahutades tuuma kuuluvate nukleonide seisumasside summast meid huvitava tuuma tegeliku seisumassi. Alltoodud graafikul on kuvatud selle meetodi alusel leitud erinevate keemiliste elementide isotoopide seoseenergiad nukleoni kohta (vasakult paremale suureneb tuuma nukleonide arv ja alt üles seoseenergia MeV/c2 ühe nukleoni kohta). Olulisemad punktid seoseenergia graafikul: 1H – vesiniku aatom, mille seoseenergia on 0 (vesiniku aatom koosneb ainult ühest nukleonist ja seda ei saa lõhkuda väiksemateks tükkideks). 21H – deuteeriumi aatom (ülaltoodud näide) 42He – heeliumi aatom, mis on suurim tipp graafikus võrreldes naaberaatomitega. Selle põhjuseks on tuumaorbitaalide täidetus – mõlemad prootonid ja neutronid asuvad tuuma S-orbitaalil. Järgmised nukleonid peavad asuma juba kõrgema energiatasemega tuumaorbitaalidele, mistõttu nende liitumisel tuuma massikadu ei suurene, vaid esialgu hoopis väheneb. Ka teiste tuumaorbitaalide täitumine põhjustab lokaalseid tippe graafikus, kuid need on oluliselt väiksema mõjuga. 5626Fe – raud-56 on koos nikkel-62 ja raud-58 kõige suurema seoseenergiaga isotoobid. Seoseenergia graafiku tipp. 23892U – uraan-238 on suurima aatomnumbriga looduses leiduv keemiline element. Kriitiline mass Tuumalõhustumine Tuumasüntees Ioniseerimine