Jautājumu piemēri par kodolreakcijām (skaldīšanos un saplūšanu)
Kodolreakcijas ir izšķiroša fizikāla parādība zinātnes un tehnoloģiju attīstībā, jo īpaši enerģētikas nozarē. Pastāv divi galvenie kodolreakciju veidi: dalīšanās un kodolsintēze. Šajā rakstā mēs apspriedīsim pamatjēdzienus, atšķirības un vairākas piemēru problēmas un to risinājumus, kas saistīti ar kodolreakcijām, gan dalīšanos, gan kodolsintēzi.
Ievads skaldīšanās un saplūšanas reakcijās
Skaldīšanās ir process, kurā liels, smags atoma kodols, piemēram, urāns-235 vai plutonijs-239, tiek sadalīts mazākos, vieglākos kodolos. Šajā procesā atbrīvojas liels enerģijas daudzums, jo daļa no sākotnējā kodola masas tiek pārvērsta enerģijā saskaņā ar Alberta Einšteina slaveno vienādojumu \(E=mc^2\). Skaldīšanās reakcijas tiek plaši izmantotas atomelektrostacijās un kodolieročos.
Turpretī kodolsintēze ir process, kurā vieglāki kodoli apvienojas, veidojot smagākus kodolus. Visizplatītākais kodolsintēzes reakcijas piemērs ir ūdeņraža kodolu saplūšana hēlijā, kā tas notiek saulē un citās zvaigznēs. Kodolsintēze rada vairāk enerģijas uz masas vienību nekā dalīšanās un ir galvenais enerģijas avots Visumā.
Parauga jautājumi un diskusija
Lai labāk izprastu šos divus kodolreakciju veidus, apspriedīsim dažus jautājumu piemērus, kas bieži parādās kodolfizikas stundās.
1. jautājums: Urāna-235 skaldīšanās reakcija
Viena no visizplatītākajām dalīšanās reakcijām ir tad, kad urāns-235 uztver neitronu un sadalās bārijā-141 un kriptonā-92, atbrīvojot trīs papildu neitronus. Uzrakstiet šīs reakcijas vienādojumu un aprēķiniet atbrīvotās enerģijas daudzumu, ja urāna-235 kodola masa ir 235,0439 u, bārija-141 ir 140,9144 u un kriptona-92 ir 91,9262 u. Neitrona masa ir 1,0087 u.
Diskusija:
Notiekošo kodolreakciju var uzrakstīt šādi:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightbult\text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
Lai aprēķinātu atbrīvoto enerģiju, mums jāzina masas deficīts, kas ir starpība starp sākotnējo masu un produktu masu:
1. Sākotnējā masa = urāna-235 masa + neitronu masa = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. Produkta masa = bārija-141 masa + kriptona-92 masa + 3. Neitrona masa = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u.
3. Masas deficīts (Δm) = Sākotnējā masa – Produkta masa = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
Atbrīvoto enerģiju var aprēķināt, izmantojot vienādojumu \(E=mc^2\), kur 1 u ir vienāds ar 931.5 MeV:
\[
\ΔE = \Δm \x 931.5 \, \text{MeV} = 0.1919 \x 931.5 \, \text{MeV} \aptuveni 178.8 \, \text{MeV}
\]
Tātad šajā skaldīšanās reakcijā izdalītā enerģija ir aptuveni 178.8 MeV.
2. jautājums: Ūdeņraža saplūšanas reakcija
Kā kodolsintēzes reakcijas piemēru aplūkosim reakciju starp diviem deitērija kodoliem (\( \text{^2_1H} \)), veidojot hēlija-3 kodolu (\( \text{^3_2He} \)) un vienu neitronu. Aprēķiniet atbrīvoto enerģiju, ja deitērija masa ir 2,0141 u, hēlija-3 masa ir 3,0160 u un neitrona masa ir 1,0087 u.
Diskusija:
Notiekošo kodolreakciju var uzrakstīt šādi:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightbult \text{^3_2He} + \text{n}
\]
Aprēķiniet masas deficītu, kas rodas reakcijā:
1. Sākotnējā masa = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. Produkta masa = hēlija-3 masa + neitronu masa = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. Masas deficīts (Δm) = Sākotnējā masa – Produkta masa = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
Atbrīvoto enerģiju var aprēķināt:
\[
\ΔE = \Δm \x 931.5 \, \text{MeV} = 0.0035 \x 931.5 \, \text{MeV} \aptuveni 3.26 \, \text{MeV}
\]
Šīs kodolsintēzes reakcijas laikā atbrīvotā enerģija ir aptuveni 3.26 MeV.
Salīdzinājums un pielietojums
No šiem diviem piemēriem varam secināt, ka, lai gan kodolsintēzes reakcijas vienā reakcijā rada nedaudz mazāk enerģijas nekā enerģija, kas izdalās dalīšanās reakcijās, kodolsintēzes galvenā priekšrocība ir tās daudz lielāks enerģijas potenciāls, ja to veic lielos daudzumos, piemēram, kodolsintēzes reaktorā, kas ideālā gadījumā varētu atrisināt pasaules enerģijas problēmas tīrāk un drošāk.
Skaldīšanās reakcijas pašlaik tiek plaši izmantotas atomelektrostacijās, taču tās saskaras ar izaicinājumiem, kas saistīti ar drošību un radušajiem radioaktīvajiem atkritumiem. Tikmēr tiek izstrādātas kodolsintēzes reakcijas, kas ir saules un zvaigžņu enerģijas pamatā, un tādi projekti kā ITER Francijā ir vērsti uz kodolsintēzes dzīvotspēju kā nākotnes tīras enerģijas avotu.
Secinājums
Izpratne par kodolreakcijām, gan kodoldalīšanos, gan kodolsintēzi, ir ļoti svarīga tehnoloģiskās un zinātniskās attīstības kontekstā. Turklāt šīs zināšanas sniedz dziļāku ieskatu Visuma darbībā un tā potenciālajos pielietojumos ilgtspējīgu enerģijas avotu nodrošināšanā. Pētot kodolreakcijas, tādi praktiski uzdevumi kā iepriekš apspriestie palīdz padziļināt mūsu izpratni par kodolenerģijas koncepcijām un pielietojumiem.
