Nuclear fusion and fission · Fusão e fissão nucleares
| English | Português |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | fusão nuclear |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | fissão nuclear |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | energia cinética |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | eletrostático |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | força nuclear forte |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | reação em cadeia |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | massa crítica |
Two opposite processes, one rule
- Joining two tiny nuclei releases energy. Splitting one enormous nucleus releases energy. Those sound like contradictory statements.
- They are not, because both are the same move: climbing the binding-energy-per-nucleon curve towards its peak.
- A nucleus already sitting at the peak, iron-56, can release energy by neither process. That is where a star's fusion stops.
- This lesson is nuclear fusion 核聚变, nuclear fission 核裂变, and how to calculate what they give out.
Both arrows point at iron
Dois processos opostos, uma regra
- Juntar dois núcleos minúsculos libera energia. Dividir um núcleo enorme libera energia. Parecem afirmações contraditórias.
- Não são, porque ambos são o mesmo movimento: subir a curva de energia de ligação por nucleon em direção ao seu pico.
- Um núcleo já sentado no pico, o ferro-56, não pode liberar energia por nenhum processo. É onde a fusão de uma estrela para.
- Esta lição é fusão nuclear 核聚变, fissão nuclear 核裂变, e como calcular o que elas liberam.
Ambas as setas apontam para o ferro
Why moving towards the peak releases energy
- On the curve, a higher position means each nucleon is more tightly bound.
- In both processes the products lie higher than the reactants, so the total binding energy increases.
- That extra binding energy is released, as the kinetic energy of the products and as photons.
- Equivalently, the total mass of the products is less than that of the reactants, by exactly $\Delta E/c^2$. Those are two descriptions of one event, and an answer wants both.
Por que mover-se em direção ao pico libera energia
- Na curva, uma posição mais alta significa que cada nucleon está mais fortemente ligado.
- Em ambos os processos os produtos ficam mais altos do que os reagentes, então a energia de ligação total aumenta.
- Essa energia de ligação extra é liberada, como energia cinética dos produtos e fótons.
- Equivalentemente, a massa total dos produtos é menor do que a dos reagentes, exatamente em $\Delta E/c^2$. São duas descrições de um evento, e uma resposta quer ambas.
Nuclear fission chain reaction · Reação em cadeia de fissão nuclear
A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · Um nêutron divide um núcleo pesado, liberando energia e mais nêutrons — que dividem mais núcleos.
Energy is released when nuclei move: · Energia é liberada quando núcleos movem-se:
Climbing the B/A curve toward iron means the products are more tightly bound, so energy is released. · Subir a curva B/A em direção ao ferro significa que os produtos são mais fortemente ligados, então energia é liberada.
Put the explanation of why fusion and fission both release energy in order. · Coloque a explicação de por que tanto fusão quanto fissão liberam energia em ordem.
The mass loss and the binding-energy gain are the same event described two ways, and a full answer says both. · A perda de massa e o ganho de energia de ligação são o mesmo evento descrito de duas formas, e uma resposta completa menciona ambas.
An iron-56 nucleus can release energy by either fusion or fission. · Um núcleo de ferro-56 pode liberar energia tanto por fusão quanto por fissão.
It sits at the peak, so every move takes it DOWN the curve and would need energy put in. This is why fusion inside a star stops at iron. · Ele está no pico, então qualquer movimento o leva PARA BAIXO na curva e exigiria energia sendo inserida. É por isso que a fusão dentro de uma estrela para no ferro.
Fusion
- Fusion joins two light nuclei into one heavier nucleus:
- The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy comes out. This is what powers every star.
- It needs millions of kelvin, and the reason is specific: the nuclei are both positive, so they must have enough kinetic energy 动能 to overcome their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.
- "It needs high temperature" alone is half an answer. Name the repulsion being beaten and the force taking over.
Fusão
- Fusão une dois núcleos leves em um núcleo mais pesado:
- O produto tem maior energia de ligação por nucleon do que os reagentes, então energia sai. Isso é o que alimenta todas as estrelas.
- Precisa de milhões de kelvin, e a razão é específica: os núcleos são ambos positivos, então devem ter suficiente energia cinética 动能 para vencer sua repulsão eletrostática 静电 e se aproximar o suficiente para que a força nuclear forte 强核力 assuma o controle.
- "Precisa de alta temperatura" sozinho é metade de uma resposta. Nomeie a repulsão sendo superada e a força que assume o controle.
Fusion needs very high temperatures to overcome the electrostatic repulsion between nuclei. · A fusão precisa de temperaturas muito altas para superar a repulsão eletrostática entre núcleos.
The nuclei must get close enough for the strong force to act, despite repelling — hence the millions of kelvin in stars. · Os núcleos devem chegar próximos o suficiente para a força forte atuar, apesar de se repelirem — daí os milhões de kelvins nas estrelas.
Why does fusion need millions of kelvin? Select all · todos that apply. · Por que a fusão precisa de milhões de kelvins? Selecione todas as opções.
"It needs high temperature" is half an answer. Name the electrostatic repulsion being beaten and the strong nuclear force taking over. · "Precisa de alta temperatura" é meia resposta. Nomeie a repulsão eletrostática sendo superada e a força nuclear forte assumindo o controle.
Fission
- Fission splits a heavy nucleus into two lighter ones, usually after it absorbs a neutron:
- The products sit higher on the curve than uranium-235, so energy is released.
- The extra neutrons can trigger further fissions: a chain reaction 链式反应, which sustains itself only in a large enough mass of fuel, the critical mass 临界质量.
- Below the critical mass too many neutrons escape from the surface before finding a nucleus, and the reaction dies out.
One neutron in, three out
Fissão
- Fissão divide um núcleo pesado em dois mais leves, geralmente após absorver um nêutron:
- Os produtos ficam mais altos na curva do que o urânio-235, então energia é liberada.
- Os nêutrons extras podem desencadear novas fissões: uma reação em cadeia 链式反应, que se sustenta apenas em uma massa de combustível suficientemente grande, a massa crítica 临界质量.
- Abaixo da massa crítica, muitos nêutrons escapam da superfície antes de encontrar um núcleo, e a reação morre.
Um nêutron entra, três saem
The extra neutrons released in fission can trigger a ____ reaction. · Os nêutrons extras liberados na fissão podem desencadear uma reação de ____.
Each fission releases neutrons that cause more fissions — a chain reaction in a critical mass of fuel. · Cada fissão libera nêutrons que causam mais fissões — uma reação em cadeia em uma massa crítica de combustível.
A sustained chain reaction needs a critical mass of fuel. · Uma reação em cadeia sustentada precisa de uma massa crítica de combustível.
Below the critical mass too many neutrons escape, and the reaction dies out. · Abaixo da massa crítica, muitos nêutrons escapam e a reação morre.
The marked contrast
- Fission: a heavy nucleus, large $A$, splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, and releases further neutrons.
- Fusion: two light nuclei, small $A$, join into one heavier nucleus, and it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion.
- Both release energy, but per kilogram of fuel, fusion releases more.
- Write the contrast in matched pairs: heavy against light, splits against joins, absorbs a neutron against needs high temperature. A list of facts about only one of them scores half.
O contraste marcado
- Fissão: um núcleo pesado, grande $A$, divide-se em dois núcleos mais leves de massas aproximadamente semelhantes, geralmente após absorver um nêutron, e libera nêutrons adicionais.
- Fusão: dois núcleos leves, pequeno $A$, se unem em um núcleo mais pesado, e precisa de temperatura e pressão muito altas para vencer a repulsão eletrostática.
- Ambas liberam energia, mas por quilograma de combustível, a fusão libera mais.
- Escreva o contraste em pares parelhos: pesado contra leve, divide contra une, absorve um nêutron contra precisa de alta temperatura. Uma lista de fatos sobre apenas um deles vale metade da nota.
Match each process to what it does. · Combine cada processo com o que ele faz.
Both move toward the iron peak, so both can release energy. · Ambos se movem em direção ao pico do ferro, então ambos podem liberar energia.
Match each feature to the process it describes. · Combine cada característica com o processo que ela descreve.
Write the contrast in matched pairs. A list of facts about only one process collects half the marks. · Escreva o contraste em pares combinados. Uma lista de fatos sobre apenas um processo coleta metade das notas.
Worked example: energy from a mass change
- In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- The recipe is always the same four moves: total mass of reactants, total mass of products, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, then $\Delta E = c^2\Delta m$.
- A positive $\Delta m$ means energy is released. If you get a negative answer you have subtracted the wrong way round, not discovered a reaction that absorbs energy.
Exemplo resolvido: energia de uma mudança de massa
- Em uma reação nuclear a massa total diminui em $0.020\ \text{u}$. Encontre a energia liberada.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- A receita é sempre os mesmos quatro passos: massa total dos reagentes, massa total dos produtos, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, então $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Um $\Delta m$ positivo significa que energia é liberada. Se você obtiver uma resposta negativa, subtraiu ao contrário, não descobriu uma reação que absorve energia.
A reaction has a mass change of $0.020\ \text{u}$. How much energy is released, in MeV? · Uma reação tem uma mudança de massa de $0.020\ \text{u}$. Quanto de energia é liberada, em MeV?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Worked example: fusing two deuterium nuclei
- The mass defect of $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002388\ \text{u}$ and that of $^{4}_{2}\text{He}$ is $0.030377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse into one helium-4 nucleus.
- Work with binding energies, since mass defects are given. Before: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ of defect. After: $0.030377\ \text{u}$.
- The defect has increased by $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, and an increase in mass defect is energy given out.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Note the shape of it: you may work either from the masses of the nuclei or from their mass defects, but never mix the two in one sum.
Exemplo resolvido: fundir dois núcleos de deutério
- O defeito de massa de $^{2}_{1}\text{H}$ é $0.002388\ \text{u}$ e o de $^{4}_{2}\text{He}$ é $0.030377\ \text{u}$. Encontre a energia liberada quando dois núcleos de deutério fundem em um único núcleo de hélio-4.
- Trabalhe com energias de ligação, já que defeitos de massa são fornecidos. Antes: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ de defeito. Depois: $0.030377\ \text{u}$.
- O defeito aumentou em $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, e um aumento no defeito de massa é energia liberada.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Note a forma dele: você pode trabalhar tanto das massas dos núcleos quanto de seus defeitos de massa, mas nunca misture os dois em uma única soma.
Two deuterium nuclei (mass defect 0.002388 u each) fuse into helium-4 (mass defect 0.030377 u). How much energy is released, in MeV? (931 MeV per u.) · Dois núcleos de deutério (defeito de massa 0.002388 u cada) fundem-se em hélio-4 (defeito de massa 0.030377 u). Quanto de energia é liberada, em MeV? (931 MeV por u.)
The mass defect increases by 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, and an increase in defect is energy released: 23.8 MeV. Work from masses OR from defects, never a mixture. · O defeito de massa aumenta em 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, e um aumento no defeito é energia liberada: 23.8 MeV. Calcule usando massas OU defeitos, nunca uma mistura.
Marks that slip away
- Explaining the energy release needs the curve: the products are higher, so the total binding energy increases and mass is lost.
- For fusion, name what the temperature is for: overcoming electrostatic repulsion so the strong nuclear force can act.
- A chain reaction needs a critical mass, otherwise too many neutrons escape.
- Fission usually absorbs a neutron first and releases more. Say how many if the equation shows them.
- Iron-56 releases energy by neither process. That is a fact worth a mark, and it is the reason stellar fusion stops there.
Marcas que escapam
- Explicar a liberação de energia exige a curva: os produtos estão mais altos, então a energia de ligação total aumenta e a massa é perdida.
- Para fusão, nomeie para que serve a temperatura: vencer a repulsão eletrostática para que a força nuclear forte possa atuar.
- Uma reação em cadeia precisa de uma massa crítica, caso contrário muitos nêutrons escapam.
- Fissão geralmente absorve um nêutron primeiro e libera mais. Diga quantos se a equação os mostrar.
- Ferro-56 não libera energia por nenhum processo. Esse é um fato que vale uma nota, e é a razão pela qual a fusão estelar para ali.
You've got it
- energy is released whenever nuclei move towards the iron peak, because the products are more tightly bound and the total mass falls by $\Delta E/c^2$
- fusion joins two light nuclei and needs millions of kelvin so the nuclei can beat their electrostatic repulsion and let the strong nuclear force act
- fission splits a heavy nucleus after absorbing a neutron, releasing more neutrons that can sustain a chain reaction above the critical mass
- to find the energy: total reactant mass, total product mass, $\Delta m$, then $\Delta E = c^2\Delta m$, or $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ in MeV
Entendeu?
- energia é liberada sempre que núcleos se movem em direção ao pico de ferro, porque os produtos estão mais fortemente ligados e a massa total cai em $\Delta E/c^2$
- fusão une dois núcleos leves e precisa de milhões de kelvin para que os núcleos superem sua repulsão eletrostática e permitam que a força nuclear forte atue
- fissão divide um núcleo pesado após absorver um nêutron, liberando mais nêutrons que podem sustentar uma reação em cadeia acima da massa crítica
- para encontrar a energia: massa total de reagentes, massa total de produtos, $\Delta m$, então $\Delta E = c^2\Delta m$, ou $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ em MeV