Avez-vous déjà jeté un coup d'œil à un morceau de bois de chauffage et vous vous êtes dit: «bon, je me demande combien d'énergie il faudrait pour séparer cette chose»? Il y a de fortes chances que non, vous ne l'ayez pas, peu de gens le font. Mais pour les physiciens, demander combien d'énergie est nécessaire pour séparer quelque chose en ses composants est en fait une question assez importante.
Dans le domaine de la physique, c'est ce que l'on appelle l'énergie de liaison, ou la quantité d'énergie mécanique qu'il faudrait pour démonter un atome en ses parties séparées. Ce concept est utilisé par les scientifiques à de nombreux niveaux différents, qui incluent le niveau atomique, le niveau nucléaire, et en astrophysique et en chimie.
Force nucléaire:
Comme tous ceux qui se souviennent de leur chimie ou physique de base le savent sûrement, les atomes sont composés de particules subatomiques appelées nucléons. Il s'agit de particules chargées positivement (protons) et de particules neutres (neutrons) disposées au centre (dans le noyau). Ceux-ci sont entourés d'électrons qui orbitent autour du noyau et sont disposés en différents niveaux d'énergie.
La raison pour laquelle les particules subatomiques qui ont des charges fondamentalement différentes peuvent exister si près les unes des autres est due à la présence d'une force nucléaire forte - une force fondamentale de l'univers qui permet aux particules subatomiques d'être attirées à de courtes distances. C'est cette force qui contrecarre la force répulsive (connue sous le nom de Force Coulombienne) qui fait que les particules se repoussent.
Par conséquent, toute tentative de diviser le noyau en le même nombre de neutrons et protons libres non liés - de sorte qu'ils soient suffisamment éloignés les uns des autres pour que la force nucléaire forte ne puisse plus provoquer l'interaction des particules - nécessitera suffisamment d'énergie pour se briser. ces obligations nucléaires.
Ainsi, l'énergie de liaison n'est pas seulement la quantité d'énergie nécessaire pour rompre les fortes liaisons de force nucléaire, c'est aussi une mesure de la force des liaisons qui maintiennent les nucléons ensemble.
Fission et fusion nucléaires:
Afin de séparer les nucléons, l'énergie doit être fournie au noyau, ce qui est généralement accompli en bombardant le noyau avec des particules de haute énergie. Dans le cas du bombardement de noyaux atomiques lourds (comme des atomes d'uranium ou de plutonium) avec des protons, cela s'appelle la fission nucléaire.
Cependant, l'énergie de liaison joue également un rôle dans la fusion nucléaire, où les noyaux légers (tels que les atomes d'hydrogène) sont liés ensemble sous des états de haute énergie. Si l'énergie de liaison pour les produits est plus élevée lorsque les noyaux légers fusionnent ou lorsque les noyaux lourds se séparent, l'un ou l'autre de ces processus entraînera une libération de l'énergie de liaison «supplémentaire». Cette énergie est appelée énergie nucléaire, ou vaguement comme énergie nucléaire.
On observe que la masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des différents nucléons constitutifs qui le composent. La «perte» de masse qui se produit lorsque les nucléons sont divisés pour former un noyau plus petit, ou fusionnent pour former un noyau plus gros, est également attribuée à une énergie de liaison. Cette masse manquante peut être perdue au cours du processus sous forme de chaleur ou de lumière.
Une fois que le système refroidit à des températures normales et revient à l'état fondamental en termes de niveaux d'énergie, il reste moins de masse dans le système. Dans ce cas, la chaleur évacuée représente exactement le «déficit» de masse, et la chaleur elle-même conserve la masse perdue (du point de vue du système initial). Cette masse apparaît dans tout autre système qui absorbe la chaleur et gagne de l'énergie thermique.
Types d'énergie de liaison:
À strictement parler, il existe plusieurs types différents d'énergie de liaison, qui sont basés sur le domaine d'étude particulier. En matière de physique des particules, l'énergie de liaison fait référence à l'énergie qu'un atome dérive de l'interaction électromagnétique, et est également la quantité d'énergie requise pour démonter un atome en nucléons libres.
Dans le cas de l'élimination des électrons d'un atome, d'une molécule ou d'un ion, l'énergie requise est appelée «énergie de liaison aux électrons» (alias potentiel d'ionisation). En général, l'énergie de liaison d'un seul proton ou neutron dans un noyau est environ un million de fois supérieure à l'énergie de liaison d'un seul électron dans un atome.
En astrophysique, les scientifiques emploient le terme «énergie de liaison gravitationnelle» pour désigner la quantité d'énergie qu'il faudrait pour séparer (à l'infini) un objet maintenu par la gravité seule - c'est-à-dire tout objet stellaire comme une étoile, une planète ou un comète. Il se réfère également à la quantité d'énergie qui est libérée (généralement sous forme de chaleur) lors de l'accrétion d'un tel objet à partir d'un matériau tombant de l'infini.
Enfin, il y a ce que l'on appelle l'énergie de «liaison», qui est une mesure de la force de liaison dans les liaisons chimiques, et c'est également la quantité d'énergie (chaleur) qu'il faudrait pour décomposer un composé chimique en ses atomes constitutifs. Fondamentalement, l'énergie de liaison est la chose même qui lie notre Univers. Et lorsque diverses parties de celui-ci sont éclatées, c'est la quantité d'énergie nécessaire pour le réaliser.
L'étude de l'énergie de liaison a de nombreuses applications, dont les plus importantes sont l'énergie nucléaire, l'électricité et la fabrication de produits chimiques. Et dans les années et décennies à venir, elle sera intrinsèque au développement de la fusion nucléaire!
Nous avons écrit de nombreux articles sur l'énergie de liaison pour Space Magazine. Voici ce qu'est le modèle atomique de Bohr?, Qu'est-ce que le modèle atomique de John Dalton?, Qu'est-ce que le modèle atomique de plum pudding?, Qu'est-ce que la masse atomique?, Et la fusion nucléaire dans les étoiles.
Si vous souhaitez plus d'informations sur l'énergie de liaison, consultez l'article Hyperphysics sur l'énergie de liaison nucléaire.
Nous avons également enregistré un épisode entier d'Astronomy Cast consacré aux numéros importants dans l'univers. Écoutez ici, épisode 45: Les chiffres importants dans l'univers.
Sources:
- Wikipédia - Énergie contraignante
- Hyperphysique - Énergie de liaison nucléaire
- Société nucléaire européenne - Énergie contraignante
- Encyclopédie Britannica - Énergie contraignante
