การหลอมนิวเคลียสและการแตกตัว
| English | ไทย |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | การหลอมรวมนิวเคลียร์ |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | การแตกตัวของนิวเคลียร์ |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | พลังงานจลน์ |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | สถิตไฟฟ้า |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | แรงนิวเคลียร์แรง |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | ปฏิกิริยาลูกโซ่ |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | มวลวิกฤต |
กระบวนการตรงกันข้ามสองอย่าง กฎเดียว
- การรวมนิวเคลียสขนาดเล็กสองตัวเข้าด้วยกันปล่อยพลังงาน การแตกหักนิวเคลียสขนาดใหญ่หนึ่งตัวก็ปล่อยพลังงาน คำพูดเหล่านี้ดูขัดแย้งกัน
- ไม่ใช่, เพราะทั้งสองเป็นการ เคลื่อนย้ายเดียวกัน: การปีนขึ้นไปตามกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน toward its peak
- นิวเคลียสที่อยู่ณจุดยอดอยู่แล้ว เช่น เหล็ก-56 ไม่สามารถปล่อยพลังงานได้ด้วยกระบวนการ ใด ทั้งสอง นี่คือจุดที่การหลอมรวมในดาวหยุดลง
- บทเรียนนี้เกี่ยวกับ การหลอมรวมนิวเคลียร์, การแตกหักนิวเคลียร์,以及如何计算它们释放的能量。
ลูกศรทั้งสองชี้ไปที่เหล็ก
ทำไมการเคลื่อนที่เข้าสู่จุดยอดถึงปล่อยพลังงาน
- บนกราฟ ตำแหน่งที่สูงขึ้นหมายความว่าแต่ละนิวคลีออนถูก ยึดเหนี่ยวแน่นกว่า
- ในทั้งสองกระบวนการ产物 nằm สูงกว่า ปฏิกิริยาตั้งต้น, ดังนั้น พลังงานยึดเหนี่ยวรวมจึงเพิ่มขึ้น
- พลังงานยึดเหนี่ยวส่วนเกินนี้ถูก ปล่อยออกมา ในฐานะพลังงานจลน์ของ产物และโฟตอน
- ในอีกนัยหนึ่ง มวลรวมของผลิตภัณฑ์มีค่าน้อยกว่าปฏิกิริยาตั้งต้น มากกว่า โดยมีความแตกต่างเป็น $\Delta E/c^2$ พอดี ทั้งสองข้อนี้เป็นการอธิบายเหตุการณ์เดียวกัน และการตอบคำถามต้องการทั้งสองส่วน
ปฏิกิริยาลูกโซ่การฟิชชันนิวเคลียร์
นิวตรอนทำให้นิวเคลียสหนักแตก释放出พลังงานและนิวตรอนเพิ่มเติม — ซึ่งนิวตรอนเหล่านั้นก็ทำให้ nuclides อื่นๆ แตกออกอีก
พลังงานจะถูกปล่อยเมื่อนิวเคลียสเคลื่อนที่:
การเคลื่อนที่ขึ้นตามเส้นโค้ง B/A เข้าหาเหล็ก หมายความว่าผลิตภัณฑ์ถูกยึดเกาะแน่นกว่า ดังนั้นพลังงานจึงถูกปล่อยออกมา
เรียงลำดับคำอธิบายว่าทำไมทั้งฟิวชันและฟิชชันจึงปล่อยพลังงานได้
การสูญเสียมวลและการเพิ่มพลังงานยึดเหนี่ยวคือเหตุการณ์เดียวกันที่อธิบายในสองรูปแบบ และคำตอบที่สมบูรณ์ควรกล่าวถึงทั้งสองอย่าง
นิวเคลียสไอโซโทปเหล็ก-56 สามารถปล่อยพลังงานได้ทั้งด้วยการฟิวชันหรือการฟิชชัน
มันอยู่ที่จุดสูงสุด ดังนั้นทุกการเปลี่ยนแปลงจะทำให้มันเคลื่อนที่ลงบนเส้นโค้งและต้องได้รับพลังงานเข้า การนี้คือเหตุผลที่ว่าฟิวชันภายในดาวฤกษ์หยุดอยู่ณเหล็ก
การหลอมรวม
- การหลอมรวม รวมนิวเคลียสเบาสองตัวเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว:
- ผลิตภัณฑ์มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากกว่าสารตั้งต้น, ดังนั้นพลังงานจึงถูกปล่อยออกมา นี่คือสิ่งที่ขับเคลื่อนดาวทุกดวง
- ต้องใช้ อุณหภูมิหลายล้านเคลวิน, และเหตุผลเฉพาะคือ: นิวเคลียสทั้งสองมีประจุบวก, ดังนั้นพวกมันต้องมี พลังงานจลน์ เพียงพอที่จะ passphrase electrostatic repulsion ของพวกมันและเข้าใกล้เพียงพอเพื่อให้ แรงนิวเคลียร์เข้มแข็ง เข้ามาควบคุม
- "ต้องใช้อุณหภูมิสูง" เพียงอย่างเดียวเป็นคำตอบเพียงครึ่งหนึ่ง ระบุชื่อแรงที่ overcome และแรงที่ take over
ฟิวชันต้องใช้อุณหภูมิสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียส
นิวเคลียสต้องเข้าใกล้กันพอที่แรงนิวเคลียร์อันแรงจะทำงานได้ แม้ว่าจะมีการผลักกันอยู่ — จึงจำเป็นต้องมีอุณหภูมิหลายล้านเคลวินในดาวฤกษ์
ทำไมฟิวชันจึงต้องใช้อุณหภูมิหลายล้านเคลวิน? เลือก ทุก ข้อที่ถูกต้อง
"ต้องใช้อุณหภูมิสูง" เป็นเพียงครึ่งหนึ่งของคำตอบ ต้องระบุชื่อแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตที่ถูกเอาชนะและแรงนิวเคลียร์อันแรงที่เข้ามาแทนที่
การแตกหัก
- การแตกหัก แบ่งนิวเคลียสหนักออกเป็นสองตัวที่เบากว่า, โดยปกติหลังจากดูดกลืนนิวตรอน:
- ผลิตภัณฑ์อยู่ที่ตำแหน่งสูงกว่าบนกราฟ compared to uranium-235, ดังนั้นพลังงานจึงถูกปล่อยออกมา
- นิวตรอนส่วนเกิน สามารถกระตุ้นการแตกหักเพิ่มเติม: ปฏิกิริยาลูกโซ่, which sustains itself only in a large enough mass of fuel, the critical mass.
- ต่ำกว่ามวลวิกฤต นิวตรอนจำนวนมากจะ escape จากพื้นผิวก่อนจะพบนิวเคลียส,และปฏิกิริยาจะดับลง
หนึ่งนิวตรอนเข้า,สามนิวตรอนออก
นิวตรอนส่วนเกินที่ถูกปล่อยออกมาจากการฟิชชันสามารถกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยา ____ ได้
การฟิชชันแต่ละครั้งจะปล่อยนิวตรอนที่ทำให้เกิดการฟิชชันมากขึ้น — เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ในมวลเชื้อเพลิงที่มีค่าวิกฤต
ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนต้องการมวลเชื้อเพลิงที่มีค่าวิกฤต
ต่ำกว่ามวลวิกฤต นิวตรอนจะหลุดหนีไปมากเกินไป ทำให้ปฏิกิริยาดับหาย
ความแตกต่างที่ชัดเจน
- การแตกตัว: นิวเคลียสหนักที่มี $A$ ใหญ่ จะแยกออกเป็นนิวเคลียสเบาสองอันที่มีมวลใกล้เคียงกัน โดยทั่วไปหลังจากดูดกลืนนิวตรอน และปล่อยนิวตรอนเพิ่มออกมา
- การหลอมรวม: นิวเคลียสเบาสองอันที่มี $A$ เล็ก จะมารวมกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งอัน และต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูงมากเพื่อ passphrase แรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้า
- ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงาน แต่ ต่อหนึ่งกิโลกรัมของเชื้อเพลิง การหลอมรวมจะปล่อยพลังงานมากกว่า
- เขียนความแตกต่างเป็นคู่ที่จับคู่กัน: หนัก เทียบ เบา, แยก เทียบ รวม, ดูดกลืนนิวตรอน เทียบ ต้องการอุณหภูมิสูง รายการข้อเท็จจริงเกี่ยวกับเพียงอย่างใดอย่างหนึ่งจะได้คะแนนครึ่งหนึ่ง
จับคู่แต่ละกระบวนการกับสิ่งที่มันทำ
ทั้งสองอย่างเคลื่อนที่เข้าหาจุดยอดของเหล็ก ดังนั้นทั้งสองจึงสามารถปล่อยพลังงานได้
จับคู่คุณลักษณะแต่ละข้อกับกระบวนการที่มันอธิบาย
เขียนความแตกต่างในรูปแบบคู่ที่จับคู่กัน รายการข้อเท็จจริงเกี่ยวกับกระบวนการใดกระบวนการหนึ่งเพียงอย่างเดียวจะได้คะแนนครึ่งหนึ่งเท่านั้น
ตัวอย่างวิธีทำ: พลังงานจากการเปลี่ยนแปลงมวล
- ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ มวลรวมลดลง $0.020\ \text{u}$. หาพลังงานที่ปล่อยออกมา
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- ขั้นตอนคือสี่ขั้นตอนเดิมเสมอ: มวลรวมของสารตั้งต้น, มวลรวมของผลิตภัณฑ์, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, แล้ว $\Delta E = c^2\Delta m$
- ค่า $\Delta m$ ที่ เป็นบวก หมายความว่ามีการปล่อยพลังงาน หากคุณได้คำตอบที่เป็นลบ คุณอาจลบผิดทาง ไม่ใช่พบปฏิกิริยาที่ดูดกลืนพลังงาน
ปฏิกิริยานี้มีการเปลี่ยนแปลงมวล $0.020\ \text{u}$ พลังงานที่ปล่อยออกมามีค่าเท่าไร ในหน่วย MeV?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
ตัวอย่างวิธีทำ: การหลอมรวมนิวเคลียสดี.hterium สองอัน
- ความผิดปกติของมวลของ $^{2}_{1}\text{H}$ คือ $0.002388\ \text{u}$ และความผิดปกติของมวลของ $^{4}_{2}\text{He}$ คือ $0.030377\ \text{u}$. หาพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อดี.hterium สองนิวเคลียสหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสเฮเลียม-4
- ใช้ พลังงานยึดเหนี่ยว เนื่องจากความผิดปกติของมวลถูกกำหนดไว้ก่อนหน้า: ก่อนหน้า: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ ของความผิดปกติ, หลังจาก: $0.030377\ \text{u}$
- ความผิดปกติ เพิ่มขึ้น $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$ และการเพิ่มขึ้นของความผิดปกติของมวลคือพลังงานที่ถูกปล่อยออกมา
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- ระวังรูปทรงของการคำนวณ: คุณสามารถคำนวณได้จากมวลของนิวเคลียสหรือจากความผิดปกติของมวลก็ได้ แต่อย่าผสมทั้งสองแบบในสมการเดียวกัน
นิวเคลียสดีิวทีเรียมสองตัว (ความต่างมวล 0.002388 u ต่อตัว) รวมตัวกันเป็นฮีเลียม-4 (ความต่างมวล 0.030377 u). พลังงานที่ปล่อยออกมามีค่าเท่าไหร่ในหน่วย MeV? (931 MeV ต่อ u.)
ความบกพร่องของมวลเพิ่มขึ้น 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u และการเพิ่มขึ้นของความบกพร่องคือพลังงานที่ปล่อยออกมา: 23.8 MeV คำนวณจากมวล OR จากความบกพร่อง ห้ามผสมกัน
คะแนนที่หลุดหายไป
- การอธิบายการปล่อยพลังงานต้องใช้กราฟ: ผลิตภัณฑ์อยู่ที่ สูงกว่า ดังนั้นพลังงานยึดเหนี่ยวรวม เพิ่มขึ้น และมวลลดลง
- สำหรับการหลอมรวม ให้ระบุว่าอุณหภูมิ主要用于: passphrase แรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้า เพื่อให้ แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแรง สามารถทำงานได้
- ปฏิกิริยาลูกโซ่ต้องการ มวลวิกฤต มิฉะนั้นนิวตรอนจะหลุดออกมากเกินไป
- การแตกตัวโดยทั่วไปจะ ดูดกลืนนิวตรอน ก่อนแล้ว ปล่อย ออกมาเพิ่มเติม บอกจำนวนหากสมการแสดงไว้
- ไอรอน-56 ไม่ปล่อยพลังงานผ่านกระบวนการใดกระบวนการหนึ่ง นั่นเป็นข้อเท็จจริงที่ได้คะแนน และมันเป็นเหตุผลที่การหลอมรวมในดาวหยุดลงที่จุดนี้
คุณเข้าใจแล้ว
- พลังงานจะถูกปล่อยออกมาทุกครั้งที่นิวเคลียสเคลื่อนที่ เข้าหายอดของไอรอน เนื่องจากผลิตภัณฑ์มี การยึดเหนี่ยวแน่นกว่า และมวลรวมลดลง $\Delta E/c^2$
- การหลอมรวม รวมนิวเคลียสเบาสองอันและต้องใช้ระดับ Kelvins ล้านเพื่อให้นิวเคลียส passphrase แรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้า และให้ แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแรง ทำงานได้
- การแตกตัว แยกนิวเคลียสหนักหลังจากการดูดกลืนนิวตรอน ปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติมที่สามารถรักษา ปฏิกิริยาลูกโซ่ ไว้เหนือ มวลวิกฤต
- เพื่อหาพลังงาน: มวลสารตั้งต้นรวม, มวลผลิตภัณฑ์รวม, $\Delta m$, แล้ว $\Delta E = c^2\Delta m$, หรือ $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ ใน MeV