Cwestiynau Enghreifftiol yn Trafod Adweithiau Niwclear (Ymholltiad a Chyfuniad)
Mae adweithiau niwclear yn ffenomen ffisegol hanfodol yn natblygiad gwyddoniaeth a thechnoleg, yn enwedig yn y sector ynni. Mae dau brif fath o adweithiau niwclear: ymholltiad ac ymasiad. Yn yr erthygl hon, byddwn yn trafod y cysyniadau sylfaenol, y gwahaniaethau, a sawl problem enghreifftiol a'u datrysiadau sy'n gysylltiedig ag adweithiau niwclear, ymholltiad ac ymasiad.
Cyflwyniad i Adweithiau Ymholltiad ac Ymasiad
Ymholltiad yw'r broses lle mae niwclews atomig mawr, trwm, fel wraniwm-235 neu blwtoniwm-239, yn cael ei hollti'n niwclei llai ac ysgafnach. Mae'r broses hon yn rhyddhau llawer iawn o egni oherwydd bod rhywfaint o fàs y niwclews gwreiddiol yn cael ei drawsnewid yn egni, yn ôl hafaliad enwog Albert Einstein, \(E=mc^2\). Defnyddir adweithiau ymholltiad yn helaeth mewn gorsafoedd pŵer niwclear ac arfau niwclear.
Mewn cyferbyniad, ymasiad yw'r broses lle mae niwclysau ysgafnach yn cyfuno i ffurfio niwclysau trymach. Yr enghraifft fwyaf cyffredin o adwaith ymasiad yw ymasiad niwclysau hydrogen yn heliwm, fel sy'n digwydd yn yr haul a sêr eraill. Mae ymasiad yn cynhyrchu mwy o egni fesul uned màs na hollti ac mae'n brif ffynhonnell egni yn y bydysawd.
Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth
Er mwyn deall y ddau fath hyn o adweithiau niwclear yn well, gadewch inni drafod rhai enghreifftiau o gwestiynau sy'n ymddangos yn aml mewn gwersi ffiseg niwclear.
Cwestiwn 1: Adwaith Ymholltiad Wraniwm-235
Un o'r adweithiau ymholltiad mwyaf cyffredin yw pan fydd wraniwm-235 yn dal niwtron ac yn hollti'n bariwm-141 a chrypton-92, gan ryddhau tri niwtron ychwanegol. Ysgrifennwch yr hafaliad ar gyfer yr adwaith hwn a chyfrifwch faint o ynni sy'n cael ei ryddhau, os yw màs niwclear wraniwm-235 yn 235,0439 u, bariwm-141 yn 140,9144 u, a chrypton-92 yn 91,9262 u. Màs niwtron yw 1,0087 u.
Trafodaeth:
Gellir ysgrifennu'r adwaith niwclear sy'n digwydd fel:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
I gyfrifo'r ynni a ryddheir, mae angen i ni wybod y diffyg màs, sef y gwahaniaeth rhwng y màs cychwynnol a màs y cynhyrchion:
1. Mas cychwynnol = Mas wraniwm-235 + Mas niwtronau = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. Màs y cynnyrch = Màs bariwm-141 + Màs crypton-92 + 3 Màs niwtron = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. Diffyg màs (Δm) = Màs cychwynnol – Màs cynnyrch = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
Gellir cyfrifo'r egni a ryddheir gan ddefnyddio'r hafaliad \(E=mc^2\), lle mae 1 u yn hafal i 931.5 MeV:
\[
ΔE = Δm × 931.5, MeV = 0.1919 × 931.5, MeV tua 178.8, MeV
\]
Felly, mae'r egni sy'n cael ei ryddhau yn yr adwaith ymhollti hwn tua 178.8 MeV.
Cwestiwn 2: Adwaith Ffiwsiwn Hydrogen
Fel enghraifft o adwaith ymasiad, gadewch i ni ystyried yr adwaith rhwng dau niwclews dewteriwm (\( \text{^2_1H} \)) i ffurfio niwclews heliwm-3 (\( \text{^3_2He} \)) ac un niwtron. Cyfrifwch yr egni a ryddheir os yw màs y dewteriwm yn 2,0141 u, màs heliwm-3 yn 3,0160 u, a màs y niwtron yn 1,0087 u.
Trafodaeth:
Gellir ysgrifennu'r adwaith niwclear sy'n digwydd fel:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]
Cyfrifwch y diffyg màs sy'n digwydd yn yr adwaith:
1. Mas cychwynnol = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. Mas y cynnyrch = Mas Heliwm-3 + Mas Niwtron = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. Diffyg màs (Δm) = Màs cychwynnol – Màs cynnyrch = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
Gellir cyfrifo'r ynni a ryddheir:
\[
ΔE = Δm × 931.5, MeV = 0.0035 × 931.5, MeV tua 3.26, MeV
\]
Mae'r egni sy'n cael ei ryddhau o'r adwaith ymasiad hwn tua 3.26 MeV.
Cymhariaeth a Chymhwyso
O'r ddwy enghraifft hyn, gallwn ddod i'r casgliad, er bod adweithiau ymasiad yn cynhyrchu ychydig llai o ynni fesul digwyddiad na'r ynni a ryddheir gan adweithiau ymholltiad, mai prif fantais ymasiad yw ei botensial ynni llawer mwy pan gaiff ei gynnal mewn symiau mawr, fel mewn adweithydd ymasiad, a allai, yn ddelfrydol, ddatrys problemau ynni'r byd yn fwy glân a diogel.
Defnyddir adweithiau ymholltiad yn helaeth mewn gorsafoedd pŵer niwclear ar hyn o bryd, ond maent yn wynebu heriau sy'n gysylltiedig â diogelwch a'r gwastraff ymbelydrol sy'n deillio o hynny. Yn y cyfamser, mae adweithiau ymasiad, sef sail ynni'r haul a seren, yn cael eu datblygu, gyda phrosiectau fel ITER yn Ffrainc yn anelu at ddangos hyfywedd ymasiad niwclear fel ffynhonnell ynni glân yn y dyfodol.
Casgliad
Mae deall adweithiau niwclear, ymholltiad ac ymasiad, yn hanfodol yng nghyd-destun datblygiadau technolegol a gwyddonol. Ar ben hynny, mae'r wybodaeth hon yn rhoi cipolwg dyfnach ar sut mae'r bydysawd yn gweithio a'i gymwysiadau posibl wrth ddarparu ffynonellau ynni cynaliadwy. Wrth astudio adweithiau niwclear, mae problemau ymarfer fel y rhai a drafodwyd uchod yn helpu i ddyfnhau ein dealltwriaeth o gysyniadau a chymwysiadau ynni niwclear.
