Ядерный синтез и деление
| English | Русский |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | ядерный синтез |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | ядерный распад (деление ядра) |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | кинетическую энергию |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | электростатический |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | сильное ядерное взаимодействие |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | цепная реакция |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | критическая масса |
Два противоположных процесса, одно правило
- Слияние двух крошечных ядер выделяет энергию. Деление одного огромного ядра тоже выделяет энергию. Эти утверждения кажутся противоречащими друг другу.
- Но это не так, потому что оба процесса представляют собой одно и то же движение: подъем по кривой энергии связи на нуклон к её максимуму.
- Ядро, которое уже находится на пике (железо-56), не может выделить энергию ни одним из этих процессов. Именно там останавливается термоядерный синтез в звезде.
- Этот урок посвящён ядерному синтезу, ядерному делению и тому, как рассчитать их выход.
Оба стрелки указывают на железо
Почему движение к пике высвобождает энергию
- На кривой более высокое положение означает, что каждый нуклон связан более прочно.
- В обоих процессах продукты расположены выше, чем исходные вещества, поэтому общая энергия связи увеличивается.
- Эта дополнительная энергия связи выделяется в виде кинетической энергии продуктов и фотонов.
- Эквивалентно: суммарная масса продуктов реакции меньше, чем масса исходных веществ, ровно на $\Delta E/c^2$. Это два описания одного и того же явления, и полный ответ должен содержать оба аспекта.
Цепная реакция ядерного деления
Нейтрон расщепляет тяжелое ядро, выделяя энергию и новые нейтроны — которые расщепляют другие ядра.
Энергия выделяется, когда ядра движутся:
Подъем по кривой связи B/A в сторону железа означает, что продукты более прочно связаны, поэтому выделяется энергия.
Расположите объяснение того, почему и синтез, и деление выделяют энергию, в правильном порядке.
Потеря массы и рост энергии связи — это одно и то же явление, описанное двумя способами; полный ответ должен включать оба аспекта.
Ядро железа-56 может выделять энергию как путем синтеза, так и путем деления.
Оно находится на пике, поэтому любое смещение от него идет вниз по кривой и требует затрат энергии. Именно поэтому синтез внутри звезды останавливается на железе.
Слияние
- Синтез объединяет два лёгких ядра в одно более тяжёлое:
- Продукт обладает большей энергией связи на нуклон, чем исходные ядра, поэтому энергия выделяется. Так работают все звезды.
- Для этого требуются миллионы кельвинов, и причина специфична: ядра имеют положительный заряд, поэтому они должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться настолько, что вступит в действие сильное ядерное взаимодействие.
- Фразы «требуется высокая температура» недостаточно для полного ответа. Нужно назвать преодолеваемое отталкивание и вступающую в силу силу.
Для синтеза требуются очень высокие температуры для преодоления электростатического отталкивания между ядрами.
Ядра должны сблизиться достаточно близко, чтобы вступила в действие сильная сила, несмотря на отталкивание — отсюда миллионы кельвинов в звездах.
Почему для синтеза нужны миллионы кельвинов? Выберите все подходящие варианты.
"Нужна высокая температура" — это лишь половина ответа. Назовите электростатическое отталкивание, которое преодолевается, и сильную ядерную силу, которая берет верх.
Деление
- Деление расщепляет тяжёлое ядро на два более лёгких, обычно после поглощения нейтрона:
- Продукты находятся выше на кривой, чем уран-235, поэтому энергия выделяется.
- Избыточные нейтроны могут вызвать последующие деления: цепная реакция, которая поддерживается сама по себе только при наличии достаточной массы топлива — критической массы.
- Ниже критической массы слишком много нейтронов покидает поверхность, не найдя ядра, и реакция затухает.
Один нейтрон входит, три выходят
Избыточные нейтроны, высвобождаемые при делении, могут запустить ____ реакцию.
При каждом акте деления высвобождаются нейтроны, вызывающие новые акты деления — цепная реакция в критической массе топлива.
Устойчивая цепная реакция требует наличия критической массы топлива.
Ниже критической массы слишком много нейтронов вылетает наружу, и реакция затухает.
Значительное различие
- Деление: тяжёлое ядро, большое $A$, расщепляется на два более лёгких ядра примерно одинаковой массы, обычно после поглощения нейтрона, и выделяет дополнительные нейтроны.
- Слияние: два лёгких ядра, малые $A$, объединяются в одно тяжёлое ядро, для преодоления электростатического отталкивания требуются очень высокая температура и давление.
- Оба процесса выделяют энергию, но на килограмм топлива слияние выделяет больше.
- Запишите контрасты парами: тяжёлое против лёгкого, расщепление против объединения, поглощение нейтрона против необходимости высокой температуры. Список фактов только об одном из них оценивается наполовину.
Соотнесите каждый процесс с его описанием.
Оба процесса движутся к пику железа, поэтому оба могут выделять энергию.
Соотнесите каждую особенность с процессом, который она описывает.
Запишите контраст парами. Список фактов только об одном процессе принесет половину баллов.
Разобранный пример: энергия при изменении массы
- В ядерной реакции общая масса уменьшается на $0.020\ \text{u}$. Найдите выделившуюся энергию.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- Алгоритм всегда один и тот же: четыре шага — суммарная масса реагентов, суммарная масса продуктов, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, затем $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Положительное $\Delta m$ означает выделение энергии. Если получается отрицательный ответ, значит, вы вычли не так (не перепутали местами), а не обнаружили реакцию, поглощающую энергию.
Реакция имеет изменение массы $0.020\ \text{u}$. Сколько энергии выделяется в МэВ?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Разобранный пример: слияние двух ядер дейтерия
- Дефект масс $^{2}_{1}\text{H}$ равен $0.002388\ \text{u}$, а дефект масс $^{4}_{2}\text{He}$ равен $0.030377\ \text{u}$. Найдите энергию, выделяющуюся при слиянии двух ядер дейтерия в одно ядро гелия-4.
- Работайте с энергиями связи, так как даны дефекты масс. До: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ дефекта. После: $0.030377\ \text{u}$.
- Дефект увеличился на $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, а увеличение дефекта масс равно выделенной энергии.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Обратите внимание на форму записи: можно считать либо по массам ядер, либо по их дефектам масс, но никогда не смешивать эти два подхода в одном выражении.
Два ядра дейтерия (дефект массы 0.002388 у каждое) сливаются в гелий-4 (дефект массы 0.030377 у). Сколько энергии выделяется в МэВ? (931 МэВ на у.).
Дефект массы увеличивается на 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 у; увеличение дефекта означает выделение энергии: 23.8 МэВ. Рассчитывайте либо по массам, либо по дефектам, но никогда не смешивайте эти подходы.
Потерянные баллы
- Объяснение выделения энергии требует кривой: продукты расположены выше, поэтому полная энергия связи увеличивается, а масса теряется.
- Для слияния назовите, зачем нужна температура: для преодоления электростатического отталкивания, чтобы сильное ядерное взаимодействие смогло действовать.
- Цепная реакция требует критической массы, иначе слишком много нейтронов будет рассеяно.
- Деление обычно сначала поглощает нейтрон, а затем выделяет ещё несколько. Укажите количество, если это показано в уравнении.
- Железо-56 не выделяет энергию ни одним из процессов. Это факт, за который дают балл, и именно поэтому звездное слияние останавливается на нём.
Вы поняли
- энергия выделяется всякий раз, когда ядра движутся к пиковому значению железа, потому что продукты связаны прочнее, а общая масса уменьшается на $\Delta E/c^2$
- слияние объединяет два лёгких ядра и требует миллионов кельвинов, чтобы ядра преодолели электростатическое отталкивание и позволили сильному ядерному взаимодействию действовать
- деление расщепляет тяжёлое ядро после поглощения нейтрона, высвобождая дополнительные нейтроны, которые могут поддерживать цепную реакцию выше критической массы
- чтобы найти энергию: суммарная масса реагентов, суммарная масса продуктов, $\Delta m$, затем $\Delta E = c^2\Delta m$, или $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ в МэВ