Enghraifft o Gwestiynau Trafod Adwaith Ymholltiad
Rhagymadrodd
Mae ymholltiad niwclear yn un o'r ffenomenau mwyaf diddorol a phwysig mewn ffiseg niwclear. Mae'r adwaith hwn yn cynnwys hollti niwclei atomig trwm yn rai ysgafnach, gan ryddhau symiau enfawr o ynni. Y mecanwaith hwn yw sail technoleg cynhyrchu pŵer niwclear a'r bom atomig. Mae deall adweithiau ymholltiad, yn ddamcaniaethol ac yn ymarferol, yn hanfodol i fyfyrwyr ffiseg ac unigolion sydd â diddordeb mewn gwyddoniaeth niwclear. Mae'r erthygl hon yn archwilio sawl enghraifft o adweithiau ymholltiad a'u trafodaethau i'n helpu i ddeall y cysyniad hwn yn well.
Cysyniadau Sylfaenol Adweithiau Ymholltiad
Gellir diffinio adwaith ymholltiad yn syml fel y broses lle mae niwclews atomig trwm (fel wraniwm-235 neu blwtoniwm-239) yn amsugno niwtron ac yn hollti'n ddau neu fwy o niwclei ysgafnach, nifer o niwtronau, a llawer iawn o egni. Daw'r egni a ryddheir mewn adwaith ymholltiad o'r gwahaniaeth mewn màs, lle mae ychydig bach o fàs yn cael ei golli a'i drawsnewid yn egni yn ôl cyfraith Albert Einstein E=mc².
Proses Ymholltiad Niwclear
Mae adwaith hollti fel arfer yn dechrau pan fydd niwclews atomig trwm yn amsugno niwtron crwydr. Mae hyn yn creu isotop hynod ansefydlog, mor ansefydlog fel ei fod bron yn syth yn hollti'n niwclei ysgafnach, gan ryddhau sawl niwtron ac egni sylweddol. Dyma enghraifft o adwaith hollti wraniwm-235:
\[
{}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^1_0n + \text{ynni}
\]
Enghraifft o Gwestiynau Adwaith Ymholltiad
Dyma sawl enghraifft o gwestiynau ynghylch adweithiau ymholltiad a geir yn aml mewn gwersi ffiseg niwclear ynghyd â thrafodaethau o'u hatebion.
Cwestiwn Enghraifft 1
Cwestiwn: Mae niwclews wraniwm-235 yn dal niwtron ac yn mynd trwy ymholltiad i ffurfio bariwm-141, crypton-92, tri niwtron, ac egni. Cyfrifwch yr egni a ryddheir yn yr adwaith hwn, o ystyried màs y gronynnau fel a ganlyn:
– Màs ${}^{235}_{92}U = 235.0439299 \ \text{u}$
– Màs niwtron $^1_0n = 1.0086649 \ \text{u}$
– Màs ${}^{141}_{56}Ba = 140.9144060 \ \text{u}$
– Màs ${}^{92}_{36}Kr = 91.9261730 \ \text{u}$
Nodyn: 1 u = 931.5 MeV/c²
Trafodaeth:
1. Swm y Màs Cyn yr Adwaith:
– Y màs cyn yr adwaith yw màs wraniwm-235 ac un niwtron:
\[
M_{\text{cyn}} = 235.0439299 \, \text{u} + 1.0086649 \, \text{u} = 236.0525948 \, \text{u}
\]
2. Cyfanswm y Màs Ar ôl yr Adwaith:
– Y màs ar ôl yr adwaith yw màs y bariwm, crypton, a thri niwtron:
\[
M_{\text{ar ôl}} = 140.9144060 \, \text{u} + 91.9261730 \, \text{u} + 3 \times 1.0086649 \, \text{u} = 235.8476727 \, \text{u}
\]
3. Newid mewn Màs:
– Y newid mewn màs, neu golled màs, yw'r gwahaniaeth rhwng y màs cyn ac ar ôl yr adwaith:
\[
\Deltam = M_{\text{cyn}} – M_{\text{ar ôl}} = 236.0525948 \, \text{u} – 235.8476727 \, \text{u} = 0.2049221 \, \text{u}
\]
4. Ynni a Ryddheir:
– Gellir cyfrifo'r egni a ryddheir, yn ôl hafaliad Einstein \(E=mc^2\), o'r newid mewn màs:
\[
E = Δm × 931.5, MeV/u = 0.2049221, u × 931.5, MeV/u tua 190.804, MeV
\]
Mae'r egni sy'n cael ei ryddhau yn adwaith hollti wraniwm-235 tua 190.804 MeV.
Cwestiwn Enghraifft 2
Cwestiwn: Mae adweithydd niwclear yn rhyddhau cyfartaledd o 200 MeV o ynni fesul adwaith ymholltiad. Os yw'r adweithydd yn cynhyrchu 1 GW o bŵer (1 gigawat = $10^9$ W), faint o adweithiau ymholltiad sy'n digwydd yr eiliad?
Trafodaeth:
1. Ynni a Ryddheir fesul Adwaith:
– Mae pob adwaith yn cynhyrchu 200 MeV sy'n cyfateb i:
\[
1 \, \text{MeV} = 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J}, \quad \text{so, } 200 \, \text{MeV} = 200 \times 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J} = 3.20436 \times 10^{-11} \, \text{J}
\]
2. Pŵer yr Adweithydd:
– Y pŵer a gynhyrchir yw 1 GW, neu $10^9$ W, sy'n hafal i $10^9$ J/s.
3. Cyfrifo Nifer yr Adweithiau:
– Gellir cyfrifo nifer yr adweithiau yr eiliad drwy rannu cyfanswm y pŵer â'r ynni fesul adwaith:
\[
\text{Nifer yr adweithiau yr eiliad} = \frac{10^9 \, \text{J/s}}{3.20436 \times 10^{-11} \, \text{J/adwaith}} = 3.12 \times 10^{19} \, \text{adweithiau/eiliad}
\]
Felly, mae tua \(3.12 \times 10^{19}\) o adweithiau ymhollti yn digwydd bob eiliad i gynhyrchu 1 GW o bŵer.
Cau
Drwy ddeall a chyfrifo, nid yn unig mae adweithiau ymholltiad yn elfen hanfodol mewn dysgu ffiseg ond mae ganddynt hefyd gymwysiadau sylweddol yn y byd go iawn. Mae technoleg ynni niwclear yn dibynnu ar adweithiau ymholltiad, a gall pob datblygiad yn y dechnoleg hon ddod â manteision a risgiau sylweddol. Drwy ddeall y cysyniadau sylfaenol a'u cymhwysiad drwy'r problemau uchod, gallwn ddeall yn well effaith adweithiau ymholltiad ar fywyd bob dydd a'r potensial y gellir ei archwilio ymhellach.
