20. Взаимодействие и связь в природе

Под энергией связи понимают энергию связанной системы каких-либо частиц, равную работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить эту систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы. Например, для атомного ядра энергия связи определяется сильным взаимодействием нуклонов в ядре. Для наиболее устойчивых ядер она составляет 8 × 10⁶ эВ/нуклон (удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон). Эта энергия может выделиться при слиянии легких ядер в более тяжелое ядро (термоядерная реакция), а также при спонтанном делении тяжелых ядер. Термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах. Такие температуры необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Так как термоядерные реакции представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых, то они сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. На использовании этой выделившейся энергии основана ядерная энергетика.

Энергия связи, электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитным взаимодействием. Для атома водорода в основном состоянии она равна 13,6 эВ. Этим же взаимодействием обусловлена энергия связи атомов в молекуле и кристалле. Например, ковалентное межатомное взаимодействие возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов, при этом происходит понижение энергии.

Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для некоторых космических объектов, например для черных дыр. Они возникают в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров, меньших его гравитационного радиуса: r_g = 2GM /c² где М– масса тела, G-гравитационная постоянная, с – численное значение скорости света).

Черной дырой может стать звезда. У вращающейся черной дыры вне горизонта (области, за которую не выходит свет) существует особая область – эргосфера. Вещество, попавшее в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вокруг черной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере черной дырой энергии вращения. Это возможно в случае, когда некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается на две части, причем одна из них продолжает падение на черную дыру, а другая вылетает из эргосферы по направлению вращения. Энергия вылетающей части может при определенных условиях превышать первоначальную энергию всего тела.

Таким образом, понятие энергии связи ядра играет особо важную роль в ядерной физике. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, а также выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.