Sidosenergia

Sidosenergia on energiamäärä, joka tarvitaan kokonaisuuden purkamiseksi yksittäisiin osiin. Sidotulla systeemillä on matalampi potentiaalienergia kuin sen rakenneosilla, mikä vastaa positiivista sidosenergiaa pitäen systeemin kasassa.

Atomiydintasolla sidosenergia vastaa energiamäärää, joka tarvitaan atomiytimen purkamiseksi neutroneiksi ja protoneiksi. Ytimen sidosenergia on nettoseuraus protonien välisestä repulsiivisesta Coulombin vuorovaikutuksesta ja kaikkia nukleoneja yhteen sitovasta vahvasta vuorovaikutuksesta.

Atomitasolla sidosenergia johdetaan sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta ja se vastaa energiamäärää, joka tarvitaan atomin purkamiseksi elektroneiksi ja atomiytimeksi.

Astrofysiikassa tähtitieteellisen kappaleen painovoiman sidosenergia vastaa energiaa, joka tarvitaan ko. kappaleen hajottamiseksi avaruuspölyksi. Tätä ei pidä sekoittaa painovoiman potentiaalienergiaan, joka erottaa esimerkiksi avaruuskappaleen ja satelliitin toisistaan äärettömälle etäisyydelle, säilyttäen molemmat muutoin ennallaan.

Ytimien sidosenergia 

Keveimmillä alkuaineilla vedystä natriumiin on kasvava sidosenergia ydinhiukkasta kohti atomimassan kasvaessa. Sidosenergia pysyy stabiilina alkuaineilla magnesiumista ksenoniin. Tätä raskaammilla alkuaineilla sidosenergia vähenee ydinhiukkasta kohti atomimassan kasvaessa. Rauta on stabiilein ja lujimmin sitoutunut alkuaine. Fuusio tuottaa energiaa yhdistämällä kevyitä alkuaineita vakaammiksi, lujemmin sitoutuneiksi alkuaineiksi kuten vetyä heliumiksi. Fissio puolestaan tuottaa energiaa halkaisemalla raskaita alkuaineita kuten uraania tai plutoniumia tiukemmin sitoutuneiksi stabiileiksi alkuaineiksi.

Sidottu systeemi on alemmalla energiatasolla, joten sen massan täytyy olla pienempi kuin sen muodostavien yksittäisten ei-sidottujen osien massojen summa. Ytimen sidosenergia voidaan laskea ytimen massan ja sen muodostavien protoneiden ja neutroneiden massojen erotuksena. Kun tämä massavaje tiedetään, voidaan Einsteinin kaavaa (E = mc²) käyttäen laskea minkä tahansa ytimen sidosenergia.

Energiamäärä, joka joko vapautuu tai sitoutuu fuusio- tai fissioreaktiossa, on reaktiossa käytetyn polttoaineen sidosenergian ja fuusio-/fissiotuotteiden sidosenergioiden erotus.

Deuteronin sidosenergia 2H 
Deuteroni on deuteriumatomin ydin ja se koostuu yhdestä protonista ja yhdestä neutronista. Rakenneosien massat ovat:

 mprotoni = 1.007276 u (u on atomimassayksikkö)
 mneutroni= 1.008665 u
 mprotoni + mneutroni = 1.007276 + 1.008665 = 2.015941 u

Deuteronin massa on deuteriumin massa vähennettynä elektronin massalla:

 Atomimassa 2H = 2.013553 u - 5.4858*10^-4 u

Massan erotus = 2.015941 - 2.013553 = 0.002388 u, ja muunnos lepomassan ja energian välillä on 931.494MeV/u, joten deuteronin sidosenergia on

 0.002388 × 931.494 MeV/u = 2.224 MeV.

Toisin ilmaistuna sidosenergia on 0,1 % massaa vastaavasta kokonaisenergiasta, eli 90 TJ/kg.

Yleisiä sidosenergioita 
Taulukko yleisimmistä sidosenergioista ja niiden pituuksista:

Katso myös  
Kemiallinen reaktio
Kemiallinen sidos

Lähteet

Aiheesta muualla 
Opetus TV: Sidosenergia (entalpia)

Ydinfysiikka