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भौतिकी और रसायन विज्ञान में बंध ऊर्जा कणों की प्रणाली से कण को हटाने या व्यक्तिगत भागों में कणों की प्रणाली को पृथक करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की सबसे छोटी मात्रा है।[1] पूर्व अर्थ में यह शब्द मुख्य रूप से संघनित पदार्थ भौतिकी, परमाणु भौतिकी और रसायन विज्ञान में उपयोग किया जाता है जबकि परमाणु भौतिकी में पृथक्करण ऊर्जा शब्द का उपयोग किया जाता है।
बाध्य प्रणाली सामान्य रूप से अपने अबाध घटकों की तुलना में कम ऊर्जा स्तर पर होता है। सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार ΔE प्रणाली की कुल ऊर्जा में कमी, Δm कुल द्रव्यमान में कमी के साथ है जहाँ Δmc2 = ΔE[2]।
बंध ऊर्जा के प्रकार
कई प्रकार की बंध ऊर्जा होती है जो प्रत्येक भिन्न दूरी और ऊर्जा पैमाने पर काम करती है। बाध्य प्रणाली का आकार जितना छोटा होता है उससे जुड़ी बंध ऊर्जा उतनी ही अधिक होती है।
| प्रकार | विवरण | उदाहरण | स्तर |
|---|---|---|---|
| गुरुत्वाकर्षण बंध ऊर्जा | किसी वस्तु की गुरुत्वाकर्षण बंध ऊर्जा जैसे कि खगोलीय पिंड वह ऊर्जा है जो सामग्री को अनंत तक विस्तारित करने के लिए आवश्यक है। | यदि पृथ्वी के द्रव्यमान और त्रिज्या वाला कोई पिंड शुद्ध रूप से हाइड्रोजन-1से बना होता है तो उस पिंड की गुरुत्वाकर्षण बंधन ऊर्जा लगभग 0.391658 eV प्रति परमाणु होगी। यदि किसी हाइड्रोजन-1 पिंड का द्रव्यमान और त्रिज्या सूर्य के समान हो तो इसकी गुरुत्वीय बंधन ऊर्जा लगभग1,195.586 eV प्रति परमाणु होगी। | खगोलीय स्तर |
| बंध ऊर्जा; बंध-पृथक्करण ऊर्जा | बंधन ऊर्जा और बंधन-पृथक्करण ऊर्जा ऊर्जा एक रासायनिक बंधन में परमाणुओं के मध्य बंध ऊर्जा के उपाय हैं। यह एक अणु को उसके घटक परमाणुओं में विभाजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। यह ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा के रूप में प्रकट होती है जैसे कि रासायनिक विस्फोट, रासायनिक ईंधन के जलने और जैविक प्रक्रियाओं में जारी। बांड ऊर्जा और बंधन-पृथक्करण ऊर्जा सामान्य रूप से कुछ eV प्रति बंधन की सीमा में होती है। | कार्बन-कार्बन बंधन की बंधन-पृथक्करण ऊर्जा लगभग 3.6 eV है। | आणविक स्तर |
| इलेक्ट्रॉन बंध ऊर्जा; आयनीकरण ऊर्जा | इलेक्ट्रॉन बंध ऊर्जा, जिसे सामान्य रूप से आयनीकरण ऊर्जा[3] के रूप में जाना जाता है, इलेक्ट्रॉन को उसके परमाणु कक्षीय या ठोस से मुक्त करने के लिए आवश्यक ऊर्जा का एक उपाय है। इलेक्ट्रॉन बंध ऊर्जा नाभिक और परमाणु, अणु या ठोस के अन्य इलेक्ट्रॉनों के साथ इलेक्ट्रॉन के विद्युत चुम्बकीय संपर्क से निकलती है और फोटॉन द्वारा मध्यस्थ होती है। | रासायनिक तत्वों में सीज़ियम के एक परमाणु में सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन के लिए आयनीकरण ऊर्जा की सीमा 3.8939 eV से लेकर ताँबे के एक परमाणु के सबसे भीतरी इलेक्ट्रॉन के लिए 11.567617 keV तक होती है। | परमाणु स्तर |
| परमाणु बंध ऊर्जा | परमाणु की परमाणु बंध ऊर्जा एक परमाणु को मुक्त इलेक्ट्रॉनों और नाभिक में अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है।[4] यह एक विशिष्ट परमाणु से संबंधित सभी इलेक्ट्रॉनों की आयनीकरण ऊर्जाओं का योग है। परमाणु बंध ऊर्जा नाभिक के साथ इलेक्ट्रॉनों के विद्युत चुम्बकीय संपर्क से प्राप्त होती है जिनकी फोटॉनों द्वारा मध्यस्थता की जाती है। | हीलियम के एक परमाणु के लिए 2 इलेक्ट्रॉनों के साथ परमाणु बंध ऊर्जा कुल 79.005 eV के लिए पहले आयनीकरण (24.587 eV) और दूसरे आयनीकरण (54.418 eV) की ऊर्जा का योग है। | परमाणु स्तर |
| परमाणु बंध ऊर्जा | परमाणु बंधन ऊर्जा वह ऊर्जा है जो नाभिक को मुक्त अबाधित न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में पृथक करने के लिए आवश्यक होती है। यह नाभिक की द्रव्यमान संख्याऔर उसके मापा द्रव्यमान के मध्य के अंतर[5][6] द्रव्यमान दोष के समतुल्य ऊर्जा है। परमाणु बंध ऊर्जा परमाणु बल या अवशिष्ट मजबूत बल से प्राप्त होती है जो तीन प्रकार के मेसॉन द्वारा मध्यस्थ होती है। | औसत नाभिकीय बंध ऊर्जा प्रति न्यूक्लियॉन हाइड्रोजन-2 के लिए 2.22452 MeV से निकल-62 के लिए 8.7945 MeV तक होती है। | नाभिकीय स्तर |
| क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स बंध ऊर्जा | क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स बंध ऊर्जा ऊर्जा की कमी के मूल्यवर्ग का दुरुपयोग कर रहा है। यह उन भागों के द्रव्यमान और गतिज ऊर्जा को संबोधित करता है जो विभिन्न क्वार्कों को एक हैड्रोन के अंदर बांधते हैं। यह ऊर्जा प्रबल अंतःक्रियासे उत्पन्न होती है जो आभासी ग्लून्स और समुद्री क्वार्क के माध्यम से ग्लून्स द्वारा मध्यस्थता की जाती है। | न्यूक्लियॉन के अंदर क्रोमोडायनामिक बाइंडिंग एनर्जी न्यूक्लियॉन के द्रव्यमान का लगभग 99% है।
एक प्रोटॉन की क्रोमोडायनामिक बंध ऊर्जा लगभग 928.9 MeV है जबकि एक न्यूट्रॉन की लगभग 927.7 MeV है। बॉटम क्वार्क (280 MeV) के मध्य बड़ी बंध ऊर्जा लैम्ब्डा बेरियन के साथ कुछ (सैद्धांतिक रूप से अपेक्षित) प्रतिक्रियाओं का कारण बनती है, जिससे प्रति घटना 138 MeV निकलती है।[7] |
प्राथमिक कण स्तर |
द्रव्यमान-ऊर्जा संबंध
बाउंड प्रणाली सामान्य रूप से अपने अनबाउंड घटकों की तुलना में कम ऊर्जा स्तर पर होता है क्योंकि इसका द्रव्यमान इसके अबाध घटकों के कुल द्रव्यमान से कम होना चाहिए। कम बंध ऊर्जा वाली प्रणालियों के लिए बंधन के पश्चात यह लुप्त हुआ द्रव्यमान आंशिक रूप से छोटा हो सकता है जबकि उच्च बंध ऊर्जा वाली प्रणाली के लिए लुप्त द्रव्यमान सरलता से मापने योग्य अंश हो सकता है। आइंस्टीन के समीकरण E = mc2 (द्रव्यमान -ऊर्जा) समकक्ष के माध्यम से हटाए गए द्रव्यमान के अनुरूप हटाए गए ऊर्जा के साथ गर्मी या प्रकाश के रूप में ऊर्जा के रूप में बंधन की प्रक्रिया के समय यह लापता द्रव्यमान लुप्त हो सकता है। बंध की प्रक्रिया में प्रणाली के घटक अपने द्रव्यमान को बनाए रखते हुए नाभिक/परमाणु/अणु के उच्च ऊर्जा स्थितियों में प्रवेश कर सकते हैं और इस कारण से यह आवश्यक है कि द्रव्यमान घटने से पहले उन्हें प्रणाली से हटा दिया जाए। एक बार जब प्रणाली सामान्य तापमान तक ठंडा हो जाता है और ऊर्जा स्तरों के संबंध में जमीनी अवस्था में लौट आता है तो इसमें पहले की तुलना में कम द्रव्यमान होगा और उच्च ऊर्जा पर होगा। गर्मी का यह नुकसान द्रव्यमान की कमी का प्रतिनिधित्व करता है और गर्मी ही उस द्रव्यमान को बनाए रखती है जो लुप्त हो गया था (प्रारंभिक प्रणाली के दृष्टिकोण से)। यह द्रव्यमान किसी अन्य प्रणाली में दिखाई देगा जो गर्मी को अवशोषित करता है और तापीय ऊर्जा प्राप्त करता है।[8]
उदाहरण के लिए यदि दो वस्तुएँ अपने गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के माध्यम से अंतरिक्ष में एक दूसरे को आकर्षित कर रही हैं तो आकर्षण बल वस्तुओं को गति देता है जिससे उनका वेग बढ़ जाता है जो उनकी संभावित ऊर्जा (गुरुत्वाकर्षण) को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित कर देता है। जब कण या तो परस्पर क्रिया के बिना एक-दूसरे से गुजरते हैं या टक्कर के समय प्रत्यास्थ रूप से पीछे हटते हैं तो प्राप्त गतिज ऊर्जा (गति से संबंधित) संभावित ऊर्जा में वापस आने लगती है जिससे टकराए हुए कण अलग हो जाते हैं। गतिमान कण प्रारंभिक दूरी पर और उससे आगे अनंत में वापस आ जाएंगे या रुकेंगे और टकराव को दोहराएंगे (दोलन होता है)। इससे पता चलता है कि वह प्रणाली जो कोई ऊर्जा नहीं खोती है एक ठोस वस्तु में संयोजित (बांध) नहीं करती है जिसके कुछ भाग कम दूरी पर दोलन करते हैं। इसलिए कणों को बाँधने के लिए आकर्षण के कारण प्राप्त गतिज ऊर्जा को प्रतिरोधक बल द्वारा नष्ट किया जाना चाहिए। टकराव में जटिल वस्तुएं सामान्य रूप से अनैच्छिक टक्कर से गुजरती हैं एवं कुछ गतिज ऊर्जा को आंतरिक ऊर्जा (ऊष्मा सामग्री, जो परमाणु आंदोलन है) में परिवर्तित करती है जो आगे फोटॉन -प्रकाश और गर्मी के रूप में विकीर्ण होती है। एक बार जब गुरुत्वाकर्षण से बचने की ऊर्जा टक्कर में समाप्त हो जाती है तो पुर्जे एक निकट संभवतः परमाणु दूरी पर दोलन करेंगे एवं इस प्रकार एक ठोस वस्तु की तरह दिखाई देंगे। वस्तुओं को पृथक करने के लिए संभावित बाधा को दूर करने के लिए आवश्यक यह खोई हुई ऊर्जा बंध ऊर्जा है। यदि इस बंध ऊर्जा को प्रणाली में गर्मी के रूप में बनाए रखा जाता है तो इसका द्रव्यमान कम नहीं होगा जबकि बंध ऊर्जा प्रणाली से लुप्त हो जाती है क्योंकि गर्मी विकिरण में ही द्रव्यमान होता है। यह सीधे रूप से शीत, बंध प्रणाली की द्रव्यमान कमी को दर्शाता है।
रासायनिक और परमाणु प्रतिक्रियाओं में शुद्धता से समान विचार लागू होते हैं। बंद प्रणालियों में एक्सोथर्मिक रासायनिक प्रतिक्रियाएं द्रव्यमान में परिवर्तन नहीं करती हैं परन्तु प्रतिक्रिया की गर्मी को हटा दिए जाने के बाद कम भारी हो जाती हैं जबकि यह द्रव्यमान परिवर्तन मानक उपकरणों के साथ मापने के लिए बहुत छोटा है। परमाणु प्रतिक्रियाओं में द्रव्यमान का अंश जिसे प्रकाश या गर्मी के रूप में हटाया जा सकता है अर्थात बंध ऊर्जा अधिकतर प्रणाली द्रव्यमान का एक बड़ा अंश होता है। इस प्रकार इसे सीधे अभिकारकों और (ठंडा) उत्पादों के बाकी द्रव्यमानों के मध्य द्रव्यमान अंतर के रूप में मापा जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि रसायन विज्ञान में गर्मी उत्पन्न करने वाले इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन के मध्य परस्पर क्रिया से जुड़े कूलम्बिक बलों की तुलना में परमाणु बल तुलनात्मक रूप से मजबूत होते हैं।
द्रव्यमान परिवर्तन
बाध्य प्रणालियों में द्रव्यमान परिवर्तन (कमी) विशेष रूप से परमाणु नाभिक को द्रव्यमान दोष, द्रव्यमान घाटा या द्रव्यमान पैकिंग अंश भी कहा गया है।[citation needed]
अनबाउंड प्रणाली परिकलित द्रव्यमान और प्रयोगात्मक रूप से नाभिक के द्रव्यमान (द्रव्यमान परिवर्तन) के मध्य अंतर को Δm के रूप में दर्शाया गया है। इसकी गणना निम्नानुसार की जा सकती है:
- द्रव्यमान परिवर्तन = (अनबाउंड प्रणाली परिकलित द्रव्यमान) - (प्रणाली की द्रव्यमान माप)
- उदा. (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान का योग) - (नाभिक की द्रव्यमान माप)
परमाणु प्रतिक्रिया होने के पश्चात जो उत्तेजित नाभिक में परिणत होती है वह ऊर्जा जो विकिरण होनी चाहिए अन्यथा या बंध ऊर्जा के रूप में हटा दी जाती है ताकि अप्रकाशित अवस्था में क्षय हो सके यह कई रूपों में से एक हो सकती है। यह विद्युत चुम्बकीय तरंगें हो सकती हैं जैसे गामा विकिरण; एक उत्सर्जित कण की गतिज ऊर्जा जैसे इलेक्ट्रॉन, आंतरिक रूपांतरण क्षय में; या आंशिक रूप से एक या अधिक उत्सर्जित कणों के शेष द्रव्यमान के रूप में जैसे कि बीटा क्षय के कण। सिद्धांत रूप में जब तक यह विकिरण या यह ऊर्जा उत्सर्जित नहीं हो जाती है और अब यह प्रणाली का भाग नहीं है तब तक द्रव्यमान की कमी प्रकट नहीं हो सकती है।
जब न्यूक्लियॉन एक साथ जुड़कर एक नाभिक बनाते हैं तो उन्हें द्रव्यमान की थोड़ी मात्रा खोनी चाहिए अर्थात बंधे रहने के लिए द्रव्यमान में परिवर्तन होता है। E = mc2 संबंध के अनुसार इस द्रव्यमान परिवर्तन को विभिन्न प्रकार के फोटॉन या अन्य कण ऊर्जा के रूप में जारी किया जाना चाहिए। इस प्रकार बंध ऊर्जा को हटा दिए जाने के पश्चात बंध ऊर्जा = द्रव्यमान परिवर्तन × c2। यह ऊर्जा उन बलों का माप है जो नाभिकों को एक साथ बांधे रखते हैं। यह ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है जिसे नाभिक के लिए अलग-अलग नाभिकों में विभाजित करने के लिए पर्यावरण से पुन: आपूर्ति की जानी चाहिए।
उदाहरण के लिए ड्यूटेरियम के एक परमाणु का द्रव्यमान दोष 0.0023884 Da है और इसकी बंध ऊर्जा लगभग 2.23 MeV के समान है। इसका अर्थ है कि ड्यूटेरियम के परमाणु को विघटित करने के लिए 2.23 MeV की ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
परमाणु संलयन या परमाणु विखंडन के दौरान दी गई ऊर्जा ईंधन की बंध ऊर्जा अर्थात प्रारंभिक न्यूक्लाइड (ओं) का अंतर है जो विखंडन या संलयन उत्पादों से होती है। व्यवहार में इस ऊर्जा की गणना ईंधन और उत्पादों के मध्य पर्याप्त द्रव्यमान अंतर से भी की जा सकती है जो ज्ञात न्यूक्लाइड के परमाणु द्रव्यमान के पिछले मापों का उपयोग करता है जो सदैव प्रत्येक प्रजाति के लिए समान द्रव्यमान रखता है। यह द्रव्यमान अंतर एक बार विकसित ऊष्मा और विकिरण को हटा दिया गया है जो इस प्रकार की गणना में सम्मिलित (गैर-उत्तेजित) न्यूक्लाइड के (बाकी) द्रव्यमान को मापने के लिए आवश्यक है।
यह भी देखें
- बंध ऊर्जा और बंध-पृथक्करण ऊर्जा
- गुरुत्वीय बंध ऊर्जा
- आयनीकरण ऊर्जा (एक इलेक्ट्रॉन की बंध ऊर्जा)
- परमाणु बंध ऊर्जा
- क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स बंध ऊर्जा
- अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र
- पृथक्करण ऊर्जा (एक नाभिक की बंध ऊर्जा)
- वायरियल द्रव्यमान
- प्राउट की परिकल्पना, परमाणु का एक प्रारंभिक प्रारूप जिसमें द्रव्यमान दोष की कोई गणना नहीं थी
संदर्भ
- ↑ Rohlf, James William (1994). आधुनिक भौतिकी α से Z° तक. John Wiley & Sons. p. 20. ISBN 0471572705.
- ↑ Eisberg, Robert; Resnick, Robert (1985). परमाणुओं, अणुओं, ठोस, नाभिक और कणों की क्वांटम भौतिकी (2nd ed.). John Wiley & Sons. p. 524. ISBN 047187373X.
- ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Ionization energy". doi:10.1351/goldbook.I03199
- ↑ "Binding Energy". Nuclear Power. Retrieved 16 May 2015.
- ↑ Bodansky, David (2005). Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects (2nd ed.). New York: Springer Science + Business Media, LLC. p. 625. ISBN 9780387269313.
- ↑ Wong, Samuel S.M. (2004). Introductory nuclear physics (2nd ed.). Weinheim: Wiley-VCH. pp. 9–10. ISBN 9783527617913.
- ↑ Karliner, Marek, and Jonathan L. Rosner. "Quark-level analogue of nuclear fusion with doubly heavy baryons". Nature 551.7678 (2017): 89.
- ↑ E. F. Taylor and J. A. Wheeler, Spacetime Physics, W.H. Freeman and Co., NY. 1992. ISBN 0716723271, see pp. 248–249 for discussion of mass remaining constant after detonation of nuclear bombs until heat is allowed to escape.
