طاقة الربط

في الفيزياء والكيمياء ، تُعرَّف طاقة الربط بأنها أقل كمية من الطاقة اللازمة لإزالة جسيم من نظام جسيمات أو لتفكيك نظام جسيمات إلى أجزائه الفردية. ^{[ 1 ]} يُستخدم المصطلح بالمعنى الأول بشكل أساسي في فيزياء المادة المكثفة ، والفيزياء الذرية ، والكيمياء، بينما يُستخدم مصطلح طاقة الفصل في الفيزياء النووية . عادةً ما يكون النظام المرتبط عند مستوى طاقة أقل من مكوناته غير المرتبطة. وفقًا ^لنظرية النسبية ، فإن انخفاضًا في الطاقة الكلية للنظام بمقدار ΔE يصاحبه انخفاض في الكتلة الكلية بمقدار Δm ، حيث Δmc² = ΔE . ^{[ 2 ]}

توجد أنواع عديدة من طاقة الربط، يعمل كل منها على مسافة ونطاق طاقة مختلفين. كلما صغر حجم النظام المرتبط، زادت طاقة الربط المرتبطة به.

يكون النظام المرتبط عادةً في مستوى طاقة أقل من مكوناته غير المرتبطة، لأن كتلته يجب أن تكون أقل من مجموع كتل مكوناته غير المرتبطة. بالنسبة للأنظمة ذات طاقات الربط المنخفضة، قد تكون هذه الكتلة "المفقودة" بعد الربط ضئيلة للغاية، بينما في الأنظمة ذات طاقات الربط العالية، قد تكون الكتلة المفقودة جزءًا يمكن قياسه بسهولة. قد تُفقد هذه الكتلة المفقودة أثناء عملية الربط على شكل طاقة حرارية أو ضوئية، وتتناسب الطاقة المُزالة مع الكتلة المُزالة وفقًا لمعادلة أينشتاين E = mc² ^. في عملية الربط، قد تدخل مكونات النظام في حالات طاقة أعلى للنواة/الذرة/الجزيء مع احتفاظها بكتلتها، ولذلك، من الضروري إزالتها من النظام قبل أن تنخفض كتلته. بمجرد أن يبرد النظام إلى درجات حرارته الطبيعية ويعود إلى حالته الأرضية فيما يتعلق بمستويات الطاقة، سيحتوي على كتلة أقل مما كانت عليه عندما اتحد لأول مرة وكان في حالة طاقة عالية. يمثل فقدان الحرارة هذا "نقص الكتلة"، وتحتفظ الحرارة نفسها بالكتلة المفقودة (من وجهة نظر النظام الأصلي). ستظهر هذه الكتلة في أي نظام آخر يمتص الحرارة ويكتسب طاقة حرارية. ^{[ 8 ]}

على سبيل المثال، إذا كان جسمان يتجاذبان في الفضاء بفعل مجال جاذبيتهما ، فإن قوة التجاذب تُسرّع الجسمين، مما يزيد من سرعتهما، ويحوّل طاقة وضعهما (الجاذبية) إلى طاقة حركية . عندما تتقاطع الجسيمات دون تفاعل، أو تتنافر تنافرًا مرنًا أثناء التصادم، تبدأ الطاقة الحركية المكتسبة (المرتبطة بالسرعة) بالتحول إلى طاقة وضع، دافعةً الجسيمات المتصادمة بعيدًا عن بعضها. ستعود الجسيمات المتباطئة إلى المسافة الابتدائية، أو تتجاوزها إلى ما لا نهاية، أو تتوقف وتُكرر التصادم (يحدث تذبذب). يُبيّن هذا أن النظام، الذي لا يفقد أي طاقة، لا يندمج (يرتبط) ليُشكّل جسمًا صلبًا، تتذبذب أجزاء منه على مسافات قصيرة. لذلك، لكي ترتبط الجسيمات، يجب تبديد الطاقة الحركية المكتسبة نتيجة التجاذب بواسطة قوة مقاومة. تخضع الأجسام المعقدة عند تصادمها عادةً لتصادم غير مرن ، مما يحول جزءًا من طاقتها الحركية إلى طاقة داخلية (محتوى حراري، وهو حركة ذرية)، والتي تُشع لاحقًا على شكل فوتونات - ضوء وحرارة. بمجرد تبديد الطاقة اللازمة للهروب من الجاذبية في التصادم، تتذبذب الأجزاء على مسافة أقرب، ربما ذرية، فتبدو كجسم صلب واحد. هذه الطاقة المفقودة، الضرورية للتغلب على حاجز الجهد لفصل الأجسام، هي طاقة الربط. لو احتُفظ بهذه الطاقة في النظام على شكل حرارة، لما انخفضت كتلته، بينما طاقة الربط المفقودة من النظام على شكل إشعاع حراري ستحتفظ بكتلتها. وهي تمثل مباشرةً "نقص الكتلة" للنظام البارد المرتبط. 

تنطبق اعتبارات مماثلة في التفاعلات الكيميائية والنووية. فالتفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة في الأنظمة المغلقة لا تُغير الكتلة، ولكنها تُصبح أقل كتلةً عند إزالة حرارة التفاعل، مع أن هذا التغير في الكتلة ضئيل جدًا بحيث لا يُمكن قياسه بالأجهزة القياسية. أما في التفاعلات النووية ، فإن نسبة الكتلة التي يُمكن إزالتها على شكل ضوء أو حرارة، أي طاقة الربط، غالبًا ما تكون نسبةً أكبر بكثير من كتلة النظام. وبالتالي، يُمكن قياسها مباشرةً كفرق في الكتلة بين كتل السكون للمتفاعلات والنواتج (بعد التبريد). ويعود ذلك إلى أن القوى النووية أقوى نسبيًا من قوى كولوم المرتبطة بالتفاعلات بين الإلكترونات والبروتونات التي تُولد الحرارة في التفاعلات الكيميائية.

• صيغة الكتلة شبه التجريبية
• طاقة الفصل (طاقة الربط لنواة واحدة)
• الكتلة الفيروسية
• فرضية براوت ، وهي نموذج مبكر للذرة لم يأخذ في الاعتبار نقص الكتلة

• طاقة الربط النووي
• الكتلة واستقرار النظائر
• بيانات تجريبية عن الكتلة الذرية جُمعت في نوفمبر 2003، وأُرشفَت في 23 سبتمبر 2008 على موقع Wayback Machine.