Você já deu uma olhada em um pedaço de lenha e disse a si mesmo: "Nossa, eu me pergunto quanta energia seria necessária para separar essa coisa"? Provavelmente, poucas pessoas o fazem. Mas para os físicos, perguntar quanta energia é necessária para separar algo em seus componentes é realmente uma questão muito importante.
No campo da física, isso é conhecido como energia de ligação, ou a quantidade de energia mecânica necessária para desmontar um átomo em suas partes separadas. Este conceito é usado por cientistas em muitos níveis diferentes, que incluem o nível atômico, o nível nuclear e em astrofísica e química.
Força Nuclear:
Como qualquer um que se lembre de sua química ou física básica certamente sabe, os átomos são compostos de partículas subatômicas conhecidas como núcleons. Eles consistem em partículas carregadas positivamente (prótons) e partículas neutras (nêutrons) dispostas no centro (no núcleo). Estes são cercados por elétrons que orbitam o núcleo e estão dispostos em diferentes níveis de energia.
A razão pela qual partículas subatômicas que possuem cargas fundamentalmente diferentes são capazes de existir tão próximas umas das outras é por causa da presença de Força Nuclear Forte - uma força fundamental do universo que permite que partículas subatômicas sejam atraídas a curtas distâncias. É essa força que neutraliza a força repulsiva (conhecida como Força Coulomb) que faz com que as partículas se repelam.
Portanto, qualquer tentativa de dividir o núcleo no mesmo número de nêutrons e prótons livres - de modo que fiquem suficientemente distantes um do outro para que a força nuclear forte não possa mais fazer com que as partículas interajam - exigirá energia suficiente para se quebrar essas ligações nucleares.
Assim, a energia de ligação não é apenas a quantidade de energia necessária para romper fortes ligações de força nuclear, é também uma medida da força das ligações que mantêm os núcleons unidos.
Fissão e fusão nuclear:
Para separar os núcleons, a energia deve ser fornecida ao núcleo, o que geralmente é realizado bombardeando o núcleo com partículas de alta energia. No caso de bombardear núcleos atômicos pesados (como átomos de urânio ou plutônio) com prótons, isso é conhecido como fissão nuclear.
No entanto, a energia de ligação também desempenha um papel na fusão nuclear, onde núcleos de luz juntos (como átomos de hidrogênio) são ligados entre si em estados de alta energia. Se a energia de ligação para os produtos for maior quando os núcleos leves se fundem, ou quando os núcleos pesados se dividem, um desses processos resultará na liberação da energia de ligação "extra". Essa energia é referida como energia nuclear, ou vagamente, como energia nuclear.
Observa-se que a massa de qualquer núcleo é sempre menor que a soma das massas dos núcleons constituintes individuais que o compõem. A "perda" de massa que resulta quando os nucleons são divididos para formar um núcleo menor, ou se fundem para formar um núcleo maior, também é atribuída a uma energia de ligação. Essa massa em falta pode ser perdida durante o processo na forma de calor ou luz.
Depois que o sistema esfria para temperaturas normais e retorna aos estados fundamentais em termos de níveis de energia, resta menos massa no sistema. Nesse caso, o calor removido representa exatamente o “déficit” de massa, e o próprio calor retém a massa que foi perdida (do ponto de vista do sistema inicial). Essa massa aparece em qualquer outro sistema que absorva o calor e obtenha energia térmica.
Tipos de energia de ligação:
A rigor, existem vários tipos diferentes de energia de ligação, que se baseiam no campo de estudo específico. Quando se trata de física de partículas, energia de ligação refere-se à energia que um átomo obtém da interação eletromagnética e também é a quantidade de energia necessária para desmontar um átomo em núcleons livres.
No caso de remover elétrons de um átomo, molécula ou íon, a energia necessária é conhecida como "energia de ligação de elétrons" (também conhecida como potencial de ionização). Em geral, a energia de ligação de um único próton ou nêutron em um núcleo é aproximadamente um milhão de vezes maior que a energia de ligação de um único elétron em um átomo.
Na astrofísica, os cientistas empregam o termo "energia de ligação gravitacional" para se referir à quantidade de energia necessária para separar (até o infinito) um objeto mantido unido apenas pela gravidade - ou seja, qualquer objeto estelar como uma estrela, um planeta ou um cometa. Também se refere à quantidade de energia que é liberada (geralmente na forma de calor) durante a acumulação de um objeto desse tipo a partir de material que cai do infinito.
Finalmente, existe o que é conhecido como energia de "ligação", que é uma medida da força da ligação em ligações químicas e também é a quantidade de energia (calor) necessária para quebrar um composto químico em seus átomos constituintes. Basicamente, energia de ligação é exatamente o que une nosso Universo. E quando várias partes são desfeitas, é a quantidade de energia necessária para realizá-la.
O estudo da energia de ligação tem inúmeras aplicações, entre as quais a energia nuclear, a eletricidade e a fabricação de produtos químicos. E nos próximos anos e décadas, será intrínseco ao desenvolvimento da fusão nuclear!
Escrevemos muitos artigos sobre energia obrigatória para a Space Magazine. Aqui está o que é o modelo atômico de Bohr ?, o que é o modelo atômico de John Dalton ?, o que é o modelo atômico do pudim de ameixa ?, o que é massa atômica? E a fusão nuclear nas estrelas.
Se você quiser obter mais informações sobre energia de ligação, consulte o artigo Hyperphysics sobre Energia de ligação nuclear.
Também gravamos um episódio inteiro do elenco de astronomia sobre os números importantes do universo. Ouça aqui, episódio 45: Os números importantes do universo.
Fontes:
- Wikipedia - Energia obrigatória
- Hiperfísica - Energia de Ligação Nuclear
- Sociedade Nuclear Europeia - Energia Vinculativa
- Encyclopaedia Britannica - Energia obrigatória
