Hợp hạch và phân hạch hạt nhân
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | phản ứng tổng hợp hạt nhân |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | phản ứng phân hạch hạt nhân |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | động năng |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | tĩnh điện |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | lực hạt nhân mạnh |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | phản ứng dây chuyền |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | khối lượng tới hạn |
Hai quá trình đối lập, một quy luật chung
- Gắn kết hai hạt nhân nhỏ bé lại với nhau sẽ tỏa năng lượng. Tách một hạt nhân khổng lồ ra cũng sẽ tỏa năng lượng. Hai điều听起来像 contradictory statements (nghe có vẻ mâu thuẫn).
- Chúng không mâu thuẫn, vì cả hai đều là một hành động giống hệt nhau: leo lên đường cong năng lượng liên kết mỗi nucleon hướng về phía đỉnh cao nhất.
- Một hạt nhân đã nằm sẵn ở đỉnh cao nhất, tức sắt-56, không thể tỏa năng lượng qua cả hai quá trình. Đó là nơi quá trình tổng hợp hạt nhân trong sao ngừng lại.
- Bài học này nói về tổng hợp hạt nhân, phân hạch hạt nhân, và cách tính toán lượng năng lượng chúng giải phóng.
Cả hai mũi tên đều chỉ về phía sắt
Tại sao việc di chuyển về phía đỉnh lại tỏa năng lượng
- Trên đường cong, vị trí càng cao nghĩa là mỗi nucleon được liên kết chặt chẽ hơn.
- Trong cả hai quá trình, sản phẩm nằm ở vị trí cao hơn so với chất tham gia, nên tổng năng lượng liên kết tăng lên.
- Lượng năng lượng liên kết dư thừa này được tỏa ra, dưới dạng động năng của sản phẩm và dưới dạng photon.
- Tương đương, tổng khối lượng của sản phẩm nhỏ hơn tổng khối lượng của chất tham gia, đúng bằng $\Delta E/c^2$. Hai mô tả này thực chất là cùng một sự kiện, và một đáp án đầy đủ cần bao gồm cả hai khía cạnh.
Phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân
Một neutron phá vỡ một hạt nhân nặng, giải phóng năng lượng và thêm neutron — những neutron này lại phá vỡ thêm hạt nhân khác.
Năng lượng được giải phóng khi các hạt nhân di chuyển:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Di chuyển lên đường cong B/A về phía sắt có nghĩa là các sản phẩm liên kết chặt chẽ hơn, do đó năng lượng được giải phóng.
Sắp xếp lời giải thích tại sao cả phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch đều giải phóng năng lượng theo thứ tự.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Sự mất khối lượng và sự tăng năng lượng liên kết là cùng một sự kiện được mô tả theo hai cách khác nhau, và một câu trả lời đầy đủ cần đề cập cả hai.
Hạt nhân Sắt-56 có thể giải phóng năng lượng thông qua cả phản ứng tổng hợp hạt nhân lẫn phân hạch.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Nó nằm ở đỉnh, nên mọi sự di chuyển đều đưa nó xuống đường cong và sẽ cần năng lượng cung cấp. Đây là lý do phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong sao dừng lại ở sắt.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân
- Hợp nhất hạt nhân gộp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn:
- Sản phẩm có năng lượng liên kết mỗi nucleon lớn hơn chất tham gia, nên năng lượng được giải phóng. Đây chính là nguồn năng lượng nuôi dưỡng mọi ngôi sao.
- Quá trình này đòi hỏi nhiệt độ hàng triệu kelvin, và lý do cụ thể là: các hạt nhân đều mang điện tích dương, nên chúng phải có đủ động năng để thắng được lực đẩy ** tĩnh điện** và tiến lại gần nhau đủ để lực hạt nhân mạnh chiếm ưu thế.
- Câu trả lời "cần nhiệt độ cao" chỉ mới được một nửa điểm. Bạn phải nêu rõ lực nào đang bị vượt qua và lực nào đang接管 (thay thế).
Tổng hợp hạt nhân đòi hỏi nhiệt độ rất cao để vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Các hạt nhân phải tiến gần nhau đủ để lực hạt nhân mạnh tác dụng, dù đang đẩy nhau — do đó cần hàng triệu kelvin trong các ngôi sao.
Tại sao tổng hợp hạt nhân cần hàng triệu kelvin? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
"Cần nhiệt độ cao" chỉ là một nửa câu trả lời. Hãy nêu tên cụ thể lực đẩy tĩnh điện bị passphrase và lực hạt nhân mạnh chiếm ưu thế.
Phân hạch hạt nhân
- Phân hạch hạt nhân tách một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn, thường xảy ra sau khi nó hấp thụ một neutron:
- Các sản phẩm nằm ở vị trí cao hơn trên đường cong so với uranium-235, nên năng lượng được tỏa ra.
- Các neutron dư thừa có thể kích hoạt thêm các phản ứng phân hạch: một phản ứng dây chuyền, duy trì được chỉ khi khối lượng nhiên liệu đủ lớn, gọi là khối lượng tới hạn.
- Dưới khối lượng tới hạn, quá nhiều neutron thoát ra khỏi bề mặt trước khi tìm thấy hạt nhân mới, khiến phản ứng tắt dần.
Một neutron đi vào, ba neutron bay ra
Các neutron thừa được giải phóng trong quá trình phân hạch có thể kích hoạt một phản ứng ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Mỗi lần phân hạch giải phóng neutron gây ra thêm các lần phân hạch — tạo thành phản ứng dây chuyền trong khối nhiên liệu tới hạn.
Phản ứng dây chuyền duy trì cần một khối nhiên liệu tới hạn.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Dưới khối tới hạn, quá nhiều neutron thoát ra ngoài, khiến phản ứng tắt dần.
Sự tương phản rõ rệt
- Phân hạch: một hạt nhân nặng, có $A$ lớn, tách thành hai hạt nhân nhẹ hơn có khối lượng tương đương nhau, thường sau khi hấp thụ một neutron và giải phóng thêm các neutron.
- Hợp hạch: hai hạt nhân nhẹ, có $A$ nhỏ, kết hợp thành một hạt nhân nặng hơn, và quá trình này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất rất cao để khắc phục lực đẩy tĩnh điện.
- Cả hai đều giải phóng năng lượng, nhưng trên mỗi kilogram nhiên liệu, hợp hạch giải phóng nhiều năng lượng hơn.
- Viết sự khác biệt theo dạng cặp đối lập: nặng so với nhẹ, tách ra so với ghép lại, hấp thụ neutron so với cần nhiệt độ cao. Một danh sách chỉ liệt kê về một trong hai quá trình sẽ chỉ được điểm nửa số.
Ghép nối mỗi quy trình với những gì nó làm.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Cả hai đều tiến về phía đỉnh sắt, nên cả hai đều có thể giải phóng năng lượng.
Ghép nối mỗi đặc điểm với quy trình mà nó mô tả.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Viết sự tương phản theo cặp ghép. Một danh sách các sự thật chỉ về một quy trình sẽ chỉ nhận được một nửa số điểm.
Ví dụ minh họa: năng lượng từ sự thay đổi khối lượng
- Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng giảm đi $0.020\ \text{u}$. Hãy tìm năng lượng được giải phóng.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- Công thức luôn gồm bốn bước: tổng khối lượng chất tham gia, tổng khối lượng sản phẩm, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, rồi đến $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Một giá trị $\Delta m$ dương nghĩa là năng lượng được giải phóng. Nếu bạn nhận được kết quả âm, bạn đã thực hiện phép trừ ngược chiều, chứ không phải phát hiện ra một phản ứng hấp thụ năng lượng.
Một phản ứng có thay đổi khối lượng là $0.020\ \text{u}$. Bao nhiêu năng lượng được giải phóng, tính bằng MeV?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Ví dụ minh họa: hợp hạch hai hạt nhân deuteri
- Độ hụt khối của $^{2}_{1}\text{H}$ là $0.002388\ \text{u}$ và của $^{4}_{2}\text{He}$ là $0.030377\ \text{u}$. Hãy tìm năng lượng được giải phóng khi hai hạt nhân deuteri hợp hạch thành một hạt nhân heli-4.
- Sử dụng năng lượng liên kết, vì độ hụt khối đã được cho trước. Trước: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ độ hụt khối. Sau: $0.030377\ \text{u}$.
- Độ hụt khối đã tăng lên $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, và sự gia tăng độ hụt khối chính là năng lượng tỏa ra.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Lưu ý cách sắp xếp: bạn có thể tính toán dựa trên khối lượng của các hạt nhân hoặc dựa trên độ hụt khối của chúng, nhưng tuyệt đối không được trộn lẫn cả hai vào cùng một phép tính.
Hai hạt nhân Deuterium (độ hụt khối 0.002388 u mỗi hạt) tổng hợp thành Heli-4 (độ hụt khối 0.030377 u). Bao nhiêu năng lượng được giải phóng, tính bằng MeV? (931 MeV mỗi u.)
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Độ hụt khối tăng thêm 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, và sự gia tăng độ hụt khối chính là năng lượng giải phóng: 23.8 MeV. Tính toán từ khối lượng HOẶC từ độ hụt khối, tuyệt đối không dùng hỗn hợp.
Điểm số dễ mất
- Giải thích việc giải phóng năng lượng cần sử dụng đường cong: các sản phẩm nằm ở vị trí cao hơn, nên tổng năng lượng liên kết tăng lên và khối lượng bị mất đi.
- Đối với hợp hạch, hãy nêu rõ nhiệt độ dùng để làm gì:克服 lực đẩy tĩnh điện để lực hạt nhân mạnh có thể tác động.
- Phản ứng dây chuyền cần một khối lượng tới hạn, nếu không sẽ có quá nhiều neutron thoát ra ngoài.
- Phân hạch thường hấp thụ một neutron trước tiên và giải phóng thêm các neutron. Hãy nêu số lượng nếu phương trình hóa học hiển thị chúng.
- Sắt-56 không giải phóng năng lượng bằng bất kỳ quá trình nào. Đây là một kiến thức worth một điểm, và cũng là lý do tại sao quá trình hợp hạch trong sao dừng lại tại đây.
Bạn đã nắm vững
- Năng lượng được giải phóng bất cứ khi nào các hạt nhân di chuyển về phía đỉnh sắt, vì các sản phẩm liên kết chặt chẽ hơn và tổng khối lượng giảm đi $\Delta E/c^2$.
- hợp hạch ghép hai hạt nhân nhẹ lại và cần hàng triệu kelvin để các hạt nhân có thể vượt qua lực đẩy tĩnh điện và để lực hạt nhân mạnh tác động.
- phân hạch tách một hạt nhân nặng sau khi hấp thụ một neutron, giải phóng thêm các neutron có thể duy trì phản ứng dây chuyền trên khối lượng tới hạn.
- Để tìm năng lượng: tổng khối lượng chất tham gia, tổng khối lượng sản phẩm, $\Delta m$, sau đó là $\Delta E = c^2\Delta m$, hoặc $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ trong MeV.