ბირთვული რეაქციების (დაშლა და შერწყმა) განხილვის მაგალითები
ბირთვული რეაქციები მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების განვითარებაში, განსაკუთრებით ენერგეტიკის სექტორში, გადამწყვეტ ფიზიკურ მოვლენას წარმოადგენს. ბირთვული რეაქციების ორი ძირითადი ტიპი არსებობს: დაშლა და თერმობირთვული შერწყმა. ამ სტატიაში განვიხილავთ ბირთვულ რეაქციებთან დაკავშირებულ ძირითად ცნებებს, განსხვავებებს და რამდენიმე მაგალით პრობლემას და მათ გადაჭრის გზებს, როგორც დაშლასთან, ასევე თერმობირთვულ შერწყმასთან დაკავშირებით.
შესავალი დაშლისა და შერწყმის რეაქციებში
დაშლა არის პროცესი, რომლის დროსაც დიდი, მძიმე ატომური ბირთვი, როგორიცაა ურანი-235 ან პლუტონიუმი-239, იყოფა უფრო პატარა, მსუბუქ ბირთვებად. ეს პროცესი გამოყოფს დიდი რაოდენობით ენერგიას, რადგან თავდაპირველი ბირთვის მასის ნაწილი გარდაიქმნება ენერგიად, ალბერტ აინშტაინის ცნობილი განტოლების, \(E=mc^2\) მიხედვით. დაშლის რეაქციები ფართოდ გამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებსა და ბირთვულ იარაღში.
ამის საპირისპიროდ, თერმობირთვული შერწყმა არის პროცესი, რომლის დროსაც მსუბუქი ბირთვები ერთიანდებიან და ქმნიან უფრო მძიმე ბირთვებს. თერმობირთვული შერწყმის რეაქციის ყველაზე გავრცელებული მაგალითია წყალბადის ბირთვების ჰელიუმად შერწყმა, როგორც ეს ხდება მზესა და სხვა ვარსკვლავებში. თერმობირთვული შერწყმა მასის ერთეულზე მეტ ენერგიას გამოიმუშავებს, ვიდრე დაშლა და ის სამყაროში ენერგიის ძირითადი წყაროა.
ნიმუშის კითხვები და დისკუსია
ბირთვული რეაქციების ამ ორი ტიპის უკეთ გასაგებად, მოდით განვიხილოთ რამდენიმე მაგალითი იმ კითხვებისა, რომლებიც ხშირად ჩნდება ბირთვული ფიზიკის გაკვეთილებზე.
კითხვა 1: ურან-235-ის დაშლის რეაქცია
ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული დაშლის რეაქციაა, როდესაც ურანი-235 იჭერს ნეიტრონს და იყოფა ბარიუმ-141-ად და კრიპტონ-92-ად, რაც გამოყოფს დამატებით სამ ნეიტრონს. დაწერეთ ამ რეაქციის განტოლება და გამოთვალეთ გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა, თუ ურანი-235-ის ბირთვული მასა არის 235,0439 ერთ., ბარიუმ-141-ის - 140,9144 ერთ., ხოლო კრიპტონ-92-ის - 91,9262 ერთ. ნეიტრონის მასა არის 1,0087 ერთ.
დისკუსია:
მიმდინარე ბირთვული რეაქცია შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
გამოთავისუფლებული ენერგიის გამოსათვლელად, უნდა ვიცოდეთ მასის დეფიციტი, რაც წარმოადგენს სხვაობას საწყის მასასა და პროდუქტების მასას შორის:
1. საწყისი მასა = ურანი-235-ის მასა + ნეიტრონების მასა = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. პროდუქტის მასა = ბარიუმ-141-ის მასა + კრიპტონ-92-ის მასა + 3 ნეიტრონის მასა = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. მასის დეფიციტი (Δm) = საწყისი მასა – ნამრავლის მასა = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
გამოთავისუფლებული ენერგიის გამოთვლა შესაძლებელია განტოლების \(E=mc^2\) გამოყენებით, სადაც 1 u უდრის 931.5 მევ-ს:
\[
დელტა E = დელტა m 931.5-ჯერ, MeV = 0.1919 931.5-ჯერ, MeV დაახლოებით 178.8, MeV
\]
ამგვარად, ამ დაშლის რეაქციის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია დაახლოებით 178.8 მევ-ია.
კითხვა 2: წყალბადის შერწყმის რეაქცია
შერწყმის რეაქციის მაგალითის სახით განვიხილოთ ორ დეიტერიუმის ბირთვს (\( \text{^2_1H} \)) შორის რეაქცია ჰელიუმ-3 ბირთვის (\( \text{^3_2He} \)) და ერთი ნეიტრონის წარმოქმნით. გამოთვალეთ გამოთავისუფლებული ენერგია, თუ დეიტერიუმის მასა არის 2,0141 ერთეული, ჰელიუმ-3-ის მასა არის 3,0160 ერთეული, ხოლო ნეიტრონის მასა არის 1,0087 ერთეული.
დისკუსია:
მიმდინარე ბირთვული რეაქცია შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]
გამოთვალეთ მასის დეფიციტი, რომელიც რეაქციაში წარმოიქმნება:
1. საწყისი მასა = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. პროდუქტის მასა = ჰელიუმ-3 მასა + ნეიტრონის მასა = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. მასის დეფიციტი (Δm) = საწყისი მასა – ნამრავლის მასა = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
გამოთავისუფლებული ენერგიის გამოთვლა შესაძლებელია:
\[
დელტა E = დელტა m 931.5-ჯერ, MeV = 0.0035 931.5-ჯერ, MeV დაახლოებით 3.26, MeV
\]
ამ შერწყმის რეაქციიდან გამოთავისუფლებული ენერგია დაახლოებით 3.26 მევ-ია.
შედარება და გამოყენება
ამ ორი მაგალითიდან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მიუხედავად იმისა, რომ თერმობირთვული შერწყმის რეაქციები თითოეულ მოვლენაზე ოდნავ ნაკლებ ენერგიას გამოიმუშავებს, ვიდრე დაშლის რეაქციების დროს გამოთავისუფლებული ენერგია, თერმობირთვული შერწყმის მთავარი უპირატესობა მისი გაცილებით დიდი ენერგეტიკული პოტენციალია, როდესაც ის დიდი რაოდენობით ხორციელდება, მაგალითად, თერმობირთვულ რეაქტორში, რაც იდეალურ შემთხვევაში მსოფლიოს ენერგეტიკულ პრობლემებს უფრო სუფთად და უსაფრთხოდ გადაჭრის.
დაშლის რეაქციები ამჟამად ფართოდ გამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებში, თუმცა ისინი უსაფრთხოებასთან და შედეგად წარმოქმნილ რადიოაქტიურ ნარჩენებთან დაკავშირებულ გამოწვევებს აწყდებიან. ამასობაში, შერწყმის რეაქციები, რომლებიც მზის და ვარსკვლავური ენერგიის საფუძველია, დამუშავების პროცესშია, ისეთი პროექტებით, როგორიცაა საფრანგეთში ITER, მიზნად ისახავს ბირთვული შერწყმის, როგორც მომავალი სუფთა ენერგიის წყაროს, სიცოცხლისუნარიანობის დემონსტრირებას.
დასკვნა
ბირთვული რეაქციების, როგორც დაშლის, ასევე შერწყმის, გაგება გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა ტექნოლოგიური და სამეცნიერო განვითარების კონტექსტში. გარდა ამისა, ეს ცოდნა უფრო ღრმა წარმოდგენას გვიქმნის იმაზე, თუ როგორ მუშაობს სამყარო და როგორ გამოიყენება ის მდგრადი ენერგიის წყაროების უზრუნველსაყოფად. ბირთვული რეაქციების შესწავლისას, ზემოთ განხილული პრაქტიკული ამოცანები ხელს უწყობს ბირთვული ენერგიის კონცეფციებისა და გამოყენების შესახებ ჩვენი გაგების გაღრმავებას.
