Пример прашања што дискутираат за нуклеарни реакции (фисија и фузија)
Нуклеарните реакции се клучен физички феномен во развојот на науката и технологијата, особено во енергетскиот сектор. Постојат два главни вида на нуклеарни реакции: фисија и фузија. Во оваа статија ќе ги разгледаме основните концепти, разликите и неколку примери на проблеми и нивните решенија поврзани со нуклеарните реакции, и фисија и фузија.
Вовед во реакциите на фисија и фузија
Фисијата е процес со кој големо, тешко атомско јадро, како што се ураниум-235 или плутониум-239, се дели на помали, полесни јадра. Овој процес ослободува голема количина на енергија бидејќи дел од масата на оригиналното јадро се претвора во енергија, според познатата равенка на Алберт Ајнштајн, \(E=mc^2\). Реакциите на фисија се широко користени во нуклеарните централи и нуклеарното оружје.
Спротивно на тоа, фузијата е процес со кој полесните јадра се комбинираат за да формираат потешки јадра. Најчест пример за реакција на фузија е фузијата на водородните јадра во хелиум, како што се случува на Сонцето и другите ѕвезди. Фузијата произведува повеќе енергија по единица маса отколку фисијата и е примарен извор на енергија во универзумот.
Пример прашања и дискусија
За подобро да ги разбереме овие два вида нуклеарни реакции, да разгледаме неколку примери на прашања што често се појавуваат на часовите по нуклеарна физика.
Прашање 1: Реакција на фисија на ураниум-235
Една од најчестите реакции на фисија е кога ураниум-235 заробува неутрон и се дели на бариум-141 и криптон-92, ослободувајќи три дополнителни неутрони. Напишете ја равенката за оваа реакција и пресметајте ја количината на ослободена енергија, ако нуклеарната маса на ураниум-235 е 235,0439 u, бариум-141 е 140,9144 u, а криптон-92 е 91,9262 u. Масата на неутрон е 1,0087 u.
Пембахасан:
Нуклеарната реакција што се случува може да се запише како:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
За да ја пресметаме ослободената енергија, треба да го знаеме дефицитот на маса, што е разликата помеѓу почетната маса и масата на производите:
1. Почетна маса = Маса на ураниум-235 + Маса на неутрони = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. Маса на производот = Маса на бариум-141 + Маса на криптон-92 + 3 Маса на неутрон = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. Дефицит на маса (Δm) = Почетна маса – Производна маса = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
Ослободената енергија може да се пресмета со помош на равенката \(E=mc^2\), каде што 1 u е еднакво на 931.5 MeV:
\[
Делта E = Делта m пати 931.5, MeV = 0.1919 пати 931.5, MeV приближно 178.8, MeV
\]
Значи, енергијата ослободена во оваа реакција на фисија е околу 178.8 MeV.
Прашање 2: Реакција на фузија на водород
Како пример за реакција на фузија, да ја разгледаме реакцијата помеѓу две јадра на деутериум (^2_1H)) за да се формира јадро на хелиум-3 (^3_2He) и еден неутрон. Пресметајте ја ослободената енергија ако масата на деутериум е 2,0141 u, масата на хелиум-3 е 3,0160 u, а масата на неутронот е 1,0087 u.
Пембахасан:
Нуклеарната реакција што се случува може да се запише како:
\[
\текст{^2_1H} + \текст{^2_1H} \десна стрелка \текст{^3_2He} + \текст{n}
\]
Пресметајте го дефицитот на маса што се јавува во реакцијата:
1. Почетна маса = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. Маса на производот = маса на хелиум-3 + маса на неутрони = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. Дефицит на маса (Δm) = Почетна маса – Производна маса = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
Ослободената енергија може да се пресмета:
\[
Делта E = Делта m пати 931.5, MeV = 0.0035 пати 931.5, MeV приближно 3.26, MeV
\]
Енергијата ослободена од оваа реакција на фузија е околу 3.26 MeV.
Споредба и примена
Од овие два примери, можеме да заклучиме дека иако реакциите на фузија произведуваат малку помалку енергија по настан од енергијата ослободена од реакциите на фисија, главната предност на фузијата е нејзиниот многу поголем енергетски потенцијал кога се изведува во големи количини, како на пример во фузиски реактор, што идеално би можело да ги реши енергетските проблеми во светот почисто и побезбедно.
Реакциите на фисија моментално се широко користени во нуклеарните централи, но тие се соочуваат со предизвици поврзани со безбедноста и радиоактивниот отпад што произлегува од тоа. Во меѓувреме, реакциите на фузија, основа на сончевата и ѕвездената енергија, се во развој, со проекти како ИТЕР во Франција кои имаат за цел да ја демонстрираат одржливоста на нуклеарната фузија како иден извор на чиста енергија.
Заклучок
Разбирањето на нуклеарните реакции, и фисијата и фузијата, е клучно во контекст на технолошкиот и научниот развој. Понатаму, ова знаење овозможува подлабок увид во тоа како функционира универзумот и неговите потенцијални примени во обезбедувањето одржливи извори на енергија. При проучувањето на нуклеарните реакции, практичните проблеми како оние дискутирани погоре помагаат да се продлабочи нашето разбирање на концептите и примените на нуклеарната енергија.
