Primjer pitanja za raspravu o reakciji fisije
Uvod
Nuklearna fisija jedan je od najfascinantnijih i najvažnijih fenomena u nuklearnoj fizici. Ova reakcija uključuje cijepanje teških atomskih jezgri u lakše, uz oslobađanje ogromnih količina energije. Ovaj mehanizam je osnova tehnologije proizvodnje nuklearne energije i atomske bombe. Razumijevanje fisijskih reakcija, i teoretski i praktično, ključno je za studente fizike i pojedince zainteresirane za nuklearnu znanost. Ovaj članak ispituje nekoliko primjera fisijskih reakcija i njihove rasprave kako bi nam pomogao da bolje razumijemo ovaj koncept.
Osnovni koncepti reakcija fisije
Reakcija fisije može se jednostavno definirati kao proces u kojem teška atomska jezgra (poput urana-235 ili plutonija-239) apsorbira neutron i dijeli se na dvije ili više lakših jezgri, određeni broj neutrona i veliku količinu energije. Energija oslobođena u reakciji fisije dolazi od razlike u masi, gdje se mala količina mase gubi i pretvara u energiju prema Einsteinovom zakonu E=mc².
Proces nuklearne fisije
Fisijska reakcija obično počinje kada teška atomska jezgra apsorbira zalutali neutron. To stvara vrlo nestabilan izotop, toliko nestabilan da se gotovo trenutno cijepa na lakše jezgre, oslobađajući nekoliko neutrona i značajnu energiju. Evo primjera fisijske reakcije uranija-235:
\[
{}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^1_0n + \text{energija}
\]
Primjer pitanja o reakciji fisije
Slijede nekoliko primjera pitanja o reakcijama fisije koja se često nalaze na satovima nuklearne fizike, zajedno s raspravama o njihovim rješenjima.
Primjer pitanja 1
Pitanje: Jezgra uranija-235 zahvaća neutron i podvrgava se fisiji pri čemu nastaju barij-141, kripton-92, tri neutrona i energija. 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._
Rasprava:
1. Masa prije reakcije:
– Masa prije reakcije je masa uranija-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 barija, 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 jednadžbi \(E=mc^2\), 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 uranija-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?
Rasprava:
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. Izračun broja reakcija:
– Broj reakcija u sekundi može se izračunati dijeljenjem ukupne snage s energijom po reakciji:
\[
\text{Broj reakcija u sekundi} = \frac{10^9 \, \text{J/s}}{3.20436 \puta 10^{-11} \, \text{J/reakcija}} = 3.12 \puta 10^{19} \, \text{reakcija/sekunda}
\]
Stoga se svake sekunde odvija oko \(3.12 \puta 10^{19}\) fisijskih reakcija koje proizvode 1 GW energije.
Zatvaranje
Razumijevanjem i izračunom, 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.
