الاندماج النووي والشق النووي
| English | العربية |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | اندماج نووي |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | انشقاق نووي |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | الطاقة الحركية |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | كهرباء ساكنة |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | قوة نووية قوية |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | تفاعل متسلسل |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | الكتلة الحرجة |
عمليتان متعاكستان، قاعدة واحدة
- اندماج نوتين ضئيلتين يطلق طاقة. انقسام نواة ضخمة واحدة يطلق طاقة. يبدو هذا تناقضاً.
- ليس كذلك، لأن كليهما نفس الحركة: الصعود في منحنى الطاقة الربطية لكل نيوكليون نحو ذروته.
- نواة تقف أصلاً عند الذروة، وهي الحديد-56، لا يمكنها إطلاق الطاقة عبر أي من العمليتين. هنا يتوقف اندماج النجوم.
- هذه الدرس حول الاندماج النووي، الانقسام النووي، وكيفية حساب ما يُنتجونه.
كلا السهمين يشيران إلى الحديد
لماذا الإطلاق طاقة عند الصعود للذروة
- في المنحنى، الموقع الأعلى يعني أن كل نيوكليون مرتبط بقوة أكبر.
- في العمليتين، المنتجات تقع أعلى من المتفاعلات، لذا تزيد الطاقة الربطية الكلية.
- هذه الطاقة الربطية الإضافية تُطلق، كطاقة حركية للمنتجات وكفوتونات.
- وبالمثل، الكتلة الكلية للمنتجات أقل من كتلة المتفاعلات، بمقدار $\Delta E/c^2$ بالضبط. هما وصفان لنفس الحدث، والإجابة تتطلب الاثنين.
تفاعل متسلسل للانحلال النووي
يكسر نيوترون核 ثقيلة، محرراً طاقة ونيوترونات إضافية — التي بدورها تكسر المزيد من الأنوية.
تُحرر الطاقة عندما تتحرك الأنوية:
الارتقاء منحنى B/A نحو الحديد يعني أن النواتج مرتبطة بشكل أكثر إحكامًا، وبالتالي يتم إطلاق الطاقة.
ضع شرح سبب إطلاق كل من الاندماج والانشطار للطاقة بالترتيب الصحيح.
فقدان الكتلة وكسب طاقة الربط هما نفس الحدث الموصوف بطريقتين، والإجابة الكاملة تذكر الاثنين.
يمكن لنواة الحديد-56 إطلاق الطاقة عن طريق الاندماج أو الانشطار.
إنها تقع عند القمة، لذا فإن أي حركة تأخذها لأسفل المنحنى وتحتاج إلى إدخال طاقة. ولهذا السبب يتوقف الاندماج داخل النجوم عند الحديد.
الاندماج
- الاندماج يجمع نوتين خفيفتين في نواة أثقل:
- المنتج له طاقة ربطية أعلى لكل نيوكليون من المتفاعلات، لذا تنبعث طاقة. هذا ما يطيق كل النجوم.
- يحتاج ملايين الكلفن، والسبب محدد: النويات موجبة الشحنة، لذا يجب أن تمتلك طاقة حركية كافية للتغلب على تنافرها الكهربائي الساكن وقربها بما يكفي لتتولى القوة النووية القوية دورها.
- قول "يحتاج حرارة عالية" وحده هو نصف الإجابة. سمِّ التنافر الذي يتم التغلب عليه والقوة التي تتولى الدور.
يتطلب الاندماج درجات حرارة عالية جدًا للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي بين الأنوية.
يجب أن تقترب الأنوية بما يكفي لتعمل القوة النووية القوية، رغم التنافر — ومن هنا يأتي وجود ملايين الكلفن في النجوم.
لماذا يتطلب الاندماج ملايين الكلفن؟ حدد كل الخيارات الصحيحة.
"تحتاج إلى درجة حرارة عالية" هو نصف الإجابة. سمِّ التنافر الكهروستاتيكي الذي يُهزم والقوة النووية القوية التي تتولى الأمر.
الانقسام
- الانقسام يفصل نواة ثقيلة إلى نواتين أخف، عادة بعد امتصاصها نيوتراً:
- المنتجات تقع أعلى في المنحنى من اليورانيوم-235، لذا تُطلق طاقة.
- النيوترونات الزائدة قد تحفز انقسامات أخرى: تفاعل متسلسل، يستمر ذاتياً فقط في كتلة كافية من الوقود، وهي الكتلة الحرجة.
- تحت الكتلة الحرجة، تهرب الكثير من النيوترونات من السطح قبل العثور على نواة، وينطفئ التفاعل.
نيوترون واحد يدخل، ثلاثة يخرجون
تعتمد النيوترونات الإضافية المحررة في الانشطار على تفاعل ____.
كل انشطار يحرر نيوترونات تسبب المزيد من الانشقاقات — تفاعل متسلسل في كتلة حرجة من الوقود.
التفاعل المتسلسل المستمر يحتاج إلى كتلة حرجة من الوقود.
أسفل الكتلة الحرجة، تهرب الكثير من النيوترونات وتنطفئ التفاعلات.
التناقض الواضح
- الانشطار: نواة ثقيلة، كبيرة $A$، تنقسم إلى نواتين أخفت كتلتهما متقاربة تقريباً، عادةً بعد امتصاص نيوترون، وتطلق نيوتونات إضافية.
- الاندماج: نواتان خفيفتان، صغيرتا $A$، تتحدان لتشكل نواة أثقل، ويحتاج ذلك إلى درجة حرارة وضغط مرتفعين جداً للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي.
- كلاهما يحرر طاقة، ولكن لكل كيلوغرام من الوقود، يحرر الاندماج طاقة أكثر.
- اكتب المقارنة في أزواج متطابقة: ثقيل مقابل خفيف، ينقسم مقابل يتحد، يمتص نيوترون مقابل يحتاج درجة حرارة عالية. قائمة حقائق عن واحد منهما فقط تحصل على نصف الدرجة.
صوّغ كل عملية بما تقوم به.
كلاهما يتجه نحو قمة الحديد، لذا يمكن لكليهما إطلاق الطاقة.
صوّغ كل ميزة بالعملية التي تصفها.
اكتب التناقض في أزواج مصوَّغة. قائمة حقائق عن عملية واحدة فقط تجمع نصف الدرجات.
مثال محلول: الطاقة من تغير الكتلة
- في تفاعل نووي تقل الكتلة الكلية بمقدار $0.020\ \text{u}$. أوجد الطاقة المنطلقة.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- الوصفة دائماً نفس أربع خطوات: كتلة المتفاعلات الكلية، كتلة النواتج الكلية، $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$، ثم $\Delta E = c^2\Delta m$.
- $\Delta m$ موجب يعني أن الطاقة محررة. إذا حصلت على إجابة سالبة فقد طرحت بطريقة خاطئة، وليس أنك اكتشفت تفاعلاً يمتص الطاقة.
لدي تفاعل تغير كتلته $0.020\ \text{u}$. كم مقدار الطاقة المنطلقة بوحدة MeV؟
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
مثال محلول: اندماج نواتي ديوتيريوم
- عيب الكتلة لـ $^{2}_{1}\text{H}$ هو $0.002388\ \text{u}$ وعيب الكتلة لـ $^{4}_{2}\text{He}$ هو $0.030377\ \text{u}$. أوجد الطاقة المنطلقة عند اندماج نواتي ديوتيريوم لتكوين نواة هيليوم-4 واحدة.
- اعتمد على طاقات الربط، لأن عيوب الكتلة معطاة. قبل: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ من العيب. بعد: $0.030377\ \text{u}$.
- زاد العيب بمقدار $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$، وزيادة عيب الكتلة تعني انطلاق طاقة.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- انتبه لشكلها: يمكنك الحساب إما من كتل النوى أو من عيوب كتلتها، لكن لا تخلط بين الاثنين في مجموع واحد.
يلتحم نونان ديوتيريوم (عيب كتلة 0.002388 u لكل منهما) لتكوين هيليوم-4 (عيب كتلة 0.030377 u). كم مقدار الطاقة المنطلقة بوحدة MeV؟ (931 MeV لكل u.)
يزداد عيب الكتلة بمقدار 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u، وازيادة العيب تعني إطلاق طاقة: 23.8 MeV. احسب من الكتل أو من العيوب، ولا تخلط بينهما.
علامات ضائعة
- شرح إطلاق الطاقة يتطلب المنحنى: النواتج أعلى، لذا فإن طاقة الربط الكلية تزداد وتُفقد كتلة.
- بالنسبة للاندماج، سمِّ ما تمثله درجة الحرارة: التغلب على التنافر الكهروستاتيكي حتى تتمكن القوة النووية القوية من العمل.
- التفاعل المتسلسل يحتاج إلى كتلة حرجة، وإلا ستهرب الكثير من النيوترونات.
- الانشطار عادة يمتص نيوترون أولاً ويطلق المزيد. قل كم عدد النيوترونات إذا أظهرتها المعادلة.
- الحديد-56 لا يحرر طاقة بأي من العمليتين. هذه حقيقة تستحق علامة، وهي سبب توقف اندماج النجوم عندها.
لقد فهمت الأمر
- تُحرر الطاقة كلما تحركت النوى نحو ذروة الحديد، لأن النواتج مرتبطة بقوة أكبر وتنخفض الكتلة الكلية بمقدار $\Delta E/c^2$
- الاندماج يربط نواتين خفيفتين ويحتاج ملايين الكلفن حتى تستطيع النوى التغلب على تنافرها الكهروستاتيكي والسماح بعمل القوة النووية القوية
- الانشطار يفكك نواة ثقيلة بعد امتصاص نيوترون، مطلقاً المزيد من النيوترونات التي يمكن أن تحافظ على تفاعل متسلسل فوق الكتلة الحرجة
- لإيجاد الطاقة: كتلة المتفاعلات الكلية، كتلة النواتج الكلية، $\Delta m$، ثم $\Delta E = c^2\Delta m$، أو $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ بالميجا إلكترون فولت