Primjer pitanja za diskusiju o reakciji fisije
Pendahuluan
Nuklearna fisija je jedan od najfascinantnijih i najvažnijih fenomena u nuklearnoj fizici. Ova reakcija uključuje cijepanje teških atomskih jezgara na lakša, uz oslobađanje ogromnih količina energije. Ovaj mehanizam je osnova tehnologije proizvodnje nuklearne energije i atomske bombe. Razumijevanje reakcija fisije, kako teoretski tako i praktično, ključno je za studente fizike i pojedince zainteresirane za nuklearnu nauku. Ovaj članak ispituje nekoliko primjera reakcija fisije i njihove diskusije kako bi nam pomogao da bolje razumijemo ovaj koncept.
Osnovni koncepti reakcija fisije
Reakcija fisije se može jednostavno definirati kao proces u kojem teško atomsko jezgro (kao što je uranij-235 ili plutonij-239) apsorbira neutron i dijeli se na dva ili više lakših jezgara, određeni broj neutrona i veliku količinu energije. Energija oslobođena u reakciji fisije dolazi iz razlike u masi, gdje se mala količina mase gubi i pretvara u energiju prema Albert Einsteinovom zakonu E=mc².
Proces nuklearne fisije
Reakcija fisije obično počinje kada teško atomsko jezgro apsorbira zalutali neutron. To stvara vrlo nestabilan izotop, toliko nestabilan da se gotovo trenutno cijepa na lakša jezgra, oslobađajući nekoliko neutrona i značajnu energiju. Evo primjera reakcije fisije uranijuma-235:
\[
{}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^1_0n + \text{energija}
\]
Primjer pitanja o reakciji fisije
U nastavku slijedi nekoliko primjera pitanja u vezi s reakcijama fisije koja se često nalaze na časovima nuklearne fizike, zajedno s raspravama o njihovim rješenjima.
Primjer pitanja 1
Pitanje: Jezgro uranijuma-235 zarobljava neutron i podvrgava se fisiji, formirajući barijum-141, kripton-92, tri neutrona i energiju. Izračunajte energiju oslobođenu u ovoj reakciji, s obzirom na mase čestica, na sljedeći način:
– Masa ${}^{235}_{92}U = 235.0439299 \text{u}$
– Masa neutrona $^1_0n = 1.0086649 \text{u}$
– Masa ${}^{141}_{56}Ba = 140.9144060 \text{u}$
– Masa ${}^{92}_{36}Kr = 91.9261730 \text{u}$
_Napomena: 1 u = 931.5 MeV/c²._
Diskusija:
1. Masena količina prije reakcije:
– Masa prije reakcije je masa uranijuma-235 i jednog neutrona:
\[
M_{\text{prije}} = 235.0439299 \, \text{u} + 1.0086649 \, \text{u} = 236.0525948 \, \text{u}
\]
2. Ukupna masa nakon reakcije:
– Masa nakon reakcije je masa barijuma, kriptona i tri neutrona:
\[
M_{\text{nakon}} = 140.9144060 \, \text{u} + 91.9261730 \, \text{u} + 3 \puta 1.0086649 \, \text{u} = 235.8476727 \, \text{u}
\]
3. Promjena mase:
– Promjena mase, ili gubitak mase, je razlika između mase prije i poslije reakcije:
\[
Δm = M prije – M poslije = 236.0525948 – 235.8476727, u = 0.2049221
\]
4. Oslobođena energija:
– Oslobođena energija, prema Einsteinovoj jednačini \(E=mc^2\), može se izračunati iz promjene mase:
\[
E = Δm puta 931.5 MeV/u = 0.2049221 u puta 931.5 MeV/u približno 190.804 MeV
\]
Energija oslobođena u reakciji fisije uranijuma-235 iznosi približno 190.804 MeV.
Primjer pitanja 2
Pitanje: Nuklearni reaktor oslobađa prosječno 200 MeV energije po fisijskoj reakciji. Ako reaktor proizvodi 1 GW snage (1 gigavat = $10^9$ W), koliko se fisijskih reakcija dogodi u sekundi?
Diskusija:
1. Energija oslobođena po reakciji:
– Svaka reakcija proizvodi 200 MeV, što je ekvivalentno:
\[
1 \, \text{MeV} = 1.60218 \puta 10^{-13} \, \text{J}, \quad \text{dakle, } 200 \, \text{MeV} = 200 \puta 1.60218 \puta 10^{-13} \, \text{J} = 3.20436 \puta 10^{-11} \, \text{J}
\]
2. Snaga reaktora:
– Proizvedena snaga je 1 GW, ili $10^9$ W, što je jednako $10^9$ J/s.
3. Izračunavanje broja reakcija:
– Broj reakcija u sekundi može se izračunati dijeljenjem ukupne snage s energijom po reakciji:
\[
Broj reakcija u sekundi = 10^9 J/s 3.20436 puta 10^{-11} J/reakcija = 3.12 puta 10^{19} reakcija/sekunda
\]
Stoga se svake sekunde odvija oko \(3.12 \puta 10^{19}\) fisijskih reakcija koje proizvode 1 GW energije.
Zatvaranje
Kroz razumijevanje i proračun, fisijske reakcije nisu samo ključni element u učenju fizike, već imaju i značajne primjene u stvarnom svijetu. Tehnologija nuklearne energije oslanja se na fisijske reakcije, a svaki napredak u ovoj tehnologiji može donijeti i značajne koristi i rizike. Razumijevanjem osnovnih koncepata i njihove primjene kroz gore navedene probleme, možemo bolje razumjeti utjecaj fisijskih reakcija na svakodnevni život i potencijal koji se može dalje istražiti.
