מיזוג וגרידה גרעיניים
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | מיזוג גרעיני |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | סדק גרעיני |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | אנרגיה קינטית |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | אלקטרוסטטי |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | כוח גרעיני חזק |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | תגובת שרשרת |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | מסה קריטית |
שני תהליכים מנוגדים, כלל אחד
- חיבור שני גרעינים זעירים משחרר אנרגיה. פיצול גרעין ענק משחרר אנרגיה. אלו נשמעות כמו טענות סותרות.
- הן אינן כזה, מכיוון ששניהן הן אותה תנועה: עלייה בעקומת אנרגיית הקישור ליסוד נגזרת לעבר השיא שלה.
- גרעין שכבר יושב בשיא, ברזל-56, לא יכול לשחרר אנרגיה באמצעות אף אחת מהתהליכים. שם עוצר ההיתוך בכוכב.
- שיעור זה עוסק בהיתוך גרעיני, פיצול גרעיני, ובאיך לחשב מה הם משחררים.
שני החצים מצביעים על ברזל
מדוע התנועה לעבר השיא משחררת אנרגיה
- בעקומה, מיקום גבוה יותר פירושו שכל נוקלאון קשור בחוזקה רבה יותר.
- בשני התהליכים המוצרים נמצאים גבוה יותר מהתגיבים, ולכן האנרגיה הכוללת של הקישור עולה.
- האנרגיה הקישורית העודפת זו משוחררת, כאנרגיה קינטית של המוצרים וכפוטונים.
- באופן שקול, מסת המוצרים היא קטנה יותר מזו של התגיבים, בדיוק ב-$\Delta E/c^2$. אלו שתי תיאורים לאותו אירוע, ופתרון דורש את שניהם.
תגובת שרשרת פיזור גרעיני
נאוטרון מפצל גרעין כבד, ומשחרר אנרגיה ונאוטרונים נוספים — אלו מפצלים עוד גרעינים.
אנרגיה משתחררת כאשר גרעינים זזים:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
הטיפוס בעקומת B/A לכיוון ברזל אומר שהמוצרים מחוברים בחוזקה רבה יותר, ולכן אנרגיה משתחררת.
סדר את ההסבר מדוע גם מיזוג וגם גרידה משחררים אנרגיה.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
איבוד המסה והרווח באנרגיית הקישור הם אותה אירוע מתואר בשתי דרכים, ותשובה מלאה צריכה להכיל את שניהם.
גרעין ברזל-56 יכול לשחרר אנרגיה באמצעות מיזוג או גרידה.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
הוא נמצא בשיא, ולכן כל תנועה מובילה אותו למטה לאורך העקומה ודורשת הזרעת אנרגיה. זהו הסיבה לכך שהמיזוג בתוך כוכב נעצר בעבר.
מיזוג
- מיזוג מחבר שני גרעינים קלים לגרעין כבד יותר:
- למוצר יש אנרגיית קישור גדולה יותר לכל נוקלאון מאשר לתגיבים, ולכן אנרגיה יוצאת. זהו המקור לאנרגיה בכל כוכב.
- הוא דורש מיליוני קלווין, והסיבה ספציפית: הגרעינים שניהם טעונים חיובית, ולכן עליהם להיות עם אנרגיה קינטית מספקת כדי להתגבר על הדחייה אלקסטטית ולהתקרבת מספיק כדי שהכוח הגרעיני החזק ישתלט.
- "הוא דורש טמפרטורה גבוהה" לבדו הוא חצי מתשובה. יש לציין את הדחייה שנשברת ואת הכוח שמשתלט.
למיזוג נדרשות טמפרטורות גבוהות מאוד כדי להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית בין הגרעינים.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
הגרעינים חייבים להגיע לקרבה מספיק כדי שכוח החזק יפעל, למרות הדחייה — ומכאן המיליוני קלווין בכוכבים.
מדוע למיזוג נדרשים מיליוני קלווין? סמן את כל האפשרויות הנכונות.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
"נדרשת טמפרטורה גבוהה" היא מחצית מתשובה. ציין את הדחייה האלקטרוסטטית שנכנעת ואת כוח הגרעין החזק התופס את ההנהגה.
פיצול
- פיצול מפצל גרעין כבד לשניים קלים יותר, לרוב לאחר בליעת נייטרון:
- המוצרים יושבים גבוה יותר בעקומה מאשר באורניום-235, ולכן אנרגיה משוחררת.
- הנייטרונים העודפים יכולים להפעיל פיצולים נוספים: תגובה שרשרתית, הנשמרת רק במסה מספיק גדולה של דלק, ה-מסה הקריטית.
- מתחת למסה הקריטית נמלטים יותר מדי נייטרונים מהמשטח לפני שהם מוצאים גרעין, והתגובה נכחדת.
נייטרון אחד נכנס, שלושה יוצאים
הנוטרונים הנוספים משחררים בפיצול יכולים לגרור תגובה ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
כל פיצול משחרר נוטרונים הגורמים לפיצולים נוספים — תגובה שרשרתית במסה קריטית של דלק.
תגובה שרשרתית מתמשכת דורשת מסה קריטית של דלק.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
מתחת למסה הקריטית, יותר מדי נוטרונים בורחים, והתגובה נדכאת.
ההבדל הברור
- פיסיליה: גרעין כבד, עם $A$ גדול, מתפצל לשני גרעינים קלים יותר בעלי מסה דומה בקירוב, לרוב לאחר בליעת ניוטרון, ומשחרר ניוטרונים נוספים.
- היתוך: שני גרעינים קלים, עם $A$ קטן, מתאחדים לגרעין אחד כבד יותר, ונדרשת טמפרטורה ולחץ גבוהים מאוד כדי להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית.
- שניהם משחררים אנרגיה, אך לכל קילוגרם של דלק, ההיתוך משחרר יותר.
- כתוב את ההבדלים בזוגות תואמים: כבד מול קל, מתפצל מול מתאחד, בולע ניוטרון מול זקוק לטמפרטורה גבוהה. רשימת עובדות על רק אחד מהם תזכה בחצי ציון.
התאם כל תהליך למה שהוא עושה.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
שניהם נעים לעבר שיא העבר, ולכן שניהם יכולים לשחרר אנרגיה.
התאם כל מאפיין לתהליך שהוא מתאר.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
כתוב את ההבדלים בזוגות תואמים. רשימת עובדות על תהליך אחד בלבד תניח חצי מהציון.
דוגמה פתורה: אנרגיה מתנועת מסה
- בתגובה גרעינית המסה הכוללת מצטמצמת ב-$0.020\ \text{u}$. חשב את האנרגיה השוחררת.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- התבנית היא תמיד אותו ארבעה צעדים: סך כל מסת התגיבים, סך כל מסת התוצרים, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, ולאחר מכן $\Delta E = c^2\Delta m$.
- $\Delta m$ חיובי מעיד על כך שאנרגיה משוחררת. אם קיבלת תשובה שלילית, הפחתת בסדר הלא נכון, ולא גילית תגובה שבורסת אנרגיה.
לתגובה יש שינוי מסה של $0.020\ \text{u}$. כמה אנרגיה משוחררת, ב-MeV?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
דוגמה פתורה: היתוך של שני גרעיני דוטריום
- תקלת המסה של $^{2}_{1}\text{H}$ היא $0.002388\ \text{u}$ ושל $^{4}_{2}\text{He}$ היא $0.030377\ \text{u}$. חשב את האנרגיה השוחררת כאשר שני גרעיני דוטריום מתהדקים לגרעין הליום-4.
- עבוד עם אנרגיות קישור, מכיוון שתקלות המסה נתונות. לפני: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ תקלת מסה. אחרי: $0.030377\ \text{u}$.
- התקלה הגברה ב-$0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, והגברה בתקלת מסה היא אנרגיה הנפלטת.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- שימו לב לצורת החישוב: ניתן לעבוד או ממסימות הגרעינים או מתקלות המסה שלהם, אך לעולם לא לערבב בין שניהם באותו סכום.
שני גרעיני דאטיום (פגם מסה 0.002388 u בכל אחד) מתמזגים ליצירת הליום-4 (פגם מסה 0.030377 u). כמה אנרגיה משוחררת, ב-MeV? (931 MeV לכל u.)
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
פגם המסה עולה ב-0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, ועלייה בפגם היא שחרור אנרגיה: 23.8 MeV. החשבון מבוסס על מסות או על פגמים, לעולם לא מערבוב.
סימונים נופלים מהיד
- הסבר לשחרור האנרגיה דורש את העקומה: התוצרים הם גבוהים יותר, ולכן אנרגיית הקישור הכוללת עולה ומסה מאבדת.
- בהיתוך, נקודת הטמפרטורה נועדה להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית כדי שהכוח הגרעיני החזק יוכל לפעול.
- תגובה שרשרתית דורשת מסה קריטית, אחרת ניוטרונים רבים מברחים.
- בפיסיליה לרוב נבלע ניוטרון תחילה ו-משוחררים יותר. ציין כמה אם המשוואה מראה אותם.
- ברזל-56 אינו משחרר אנרגיה באף אחד מהתהליכים. זו עובקה שמציינת, והיא הסיבה לכך שההיתוך הכוכבי נפסק שם.
הבנתך מושלמת
- אנרגיה משוחררת בכל פעם שגרעינים זזים לעבר שיא הברזל, מכיוון שבתוצרים יש קישור חזק יותר והמסה הכוללת יורדת ב-$\Delta E/c^2$
- היתוך מאחד שני גרעינים קלים ודורש מיליוני קלווין כדי שהגרעינים יוכלו להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית ולהאפשר לכוח הגרעיני החזק לפעול
- קריעה גרעינית מפצלת גרעין כבד לאחר ספיגת ניוטרון, ומשחררת ניוטרונים נוספים שיכולים לשמור על תגובה שרשרתית מעל ה-מסה הקריטית
- למציאת האנרגיה: מסת המגיבים הכוללת, מסת התוצרים הכוללת, $\Delta m$, ולאחר מכן $\Delta E = c^2\Delta m$, או $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ ב-MeV