Füzyon reaksiyonlarının özü olan atomik bağlanma enerjisi ile ilgili bir fizik sorusuna örnek.

Füzyon reaksiyonları ve atomik bağlanma enerjisi ile ilgili 9 nükleer fizik soru örneği.

1. Aşağıdaki nükleer füzyon reaksiyonunu gözlemleyin:
₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹ + E
Eğer kütle ₁H² = 2,014 amu, kütle ₁H³ Eğer α parçacığının kütlesi 3,016 amu, α parçacığının kütlesi 4,0026 amu ve nötronun kütlesi 1,0084 amu ise, üretilen enerji nedir? (1 amu, 931 MeV'ye eşdeğerdir)
A. 18,62 MeV
B. 17,69 MeV
C. 16,76 MeV
D. 15,73 MeV
E. 14,89 MeV
Pembahasan
Reaktiflerin ve ürünlerin kütleleri:
Reaktifin kütlesi (m_reaktifler) = 2,014 sma + 3,016 sma = 5,03 sma
Ürün kütlesi (m)_Produk) = 4,0026 sma + 1,0084 sma = 5,011 sma
Reaksiyon sırasında kaybedilen kütle:
Δm = m_reaktifler - m_Produk
Δm = 5,03 sma – 5,011 sma
Δm = 0,019 sma
Füzyon reaksiyonunda kaybedilen kütle 0,019 amu'dur.
1 atomik kütle birimi (amu) 931 MeV enerjiye eşdeğerdir. 0,019 amu ise 0,019 x 931 MeV = 17,689 MeV = 17,69 MeV enerjiye eşdeğerdir.
Doğru cevap B şıkkıdır.

2. Aşağıdaki nükleer reaksiyonlara dikkat edin!
₆C¹³ + ₁H² → ₆C¹⁴ + ₁H¹ + enerji
Çekirdeğin kütlesi biliniyorsa:
₆C¹³ = 13,0033 küçük
₁H² = 2,0141 küçük
₆C¹⁴ = 14,0030 küçük
₁H¹ = 1,0078 küçük
Eğer 1 atomik kütle birimi (amu) 931 MeV enerjiye eşdeğer ise, nükleer reaksiyonda ortaya çıkan enerji...
A. 5.5860 MeV
B. 6.1446 MeV
C. 6.1412 MeV
D. 6.2320 MeV
E. 6.2377 MeV
Pembahasan
Reaktiflerin ve ürünlerin kütleleri:
Reaktifin kütlesi (m_reaktifler) = 13,0033 sma + 2,0141 sma = 15,0174 sma
Ürün kütlesi (m)_Produk) = 14,0030 sma + 1,0078 sma = 15,0108 sma
Reaksiyon sırasında kaybedilen kütle:
Δm = reaktan – mürün
Δm = 15,0174 sma – 15,0108 sma
Δm = 0,0066 sma
Nükleer reaksiyonda kaybedilen kütle 0,0066 amu'dur.
1 atomik kütle birimi (amu) 931 MeV enerjiye eşdeğerdir. 0,0066 amu ise 0,0066 x 931 MeV = 6,1446 MeV enerjiye eşdeğerdir.
Doğru cevap B şıkkıdır.

3. Aşağıdaki birleşme reaksiyonuna dikkat edin!
Şunlar bilinmektedir:
Kitle ₁H¹ = 1,0078 küçük
Kitle ₁d² = 2,01410 küçük
Kütle = 0,00055 amu
1 amu = 931 MeV
Füzyon reaksiyonunda üretilen enerji (E) değeri…

A. 0,44 MeV
B. 0,88 MeV
C. 0,98 MeV
D. 1,02 MeV
E. 1,47 MeV

Pembahasan

Reaktiflerin ve ürünlerin kütlesi :
Reaktifin kütlesi (m_reaktifler) = 1,0078 sma + 1,0078 sma = 2,0156 sma
Ürün kütlesi (m)_Produk) = 2,01410 sma + 0,00055 sma = 2,01465 sma
Reaksiyon sırasında kaybedilen kütle :
Δm = m_reaktifler - m_Produk
Δm = 2,01560 sma – 2,01465 sma
Δm = 0,00095 sma
Füzyon reaksiyonunda kaybedilen kütle 0,00095 amu'dur.

1 sma şuna eşdeğerdir: Energi 931 MeV'ye kadar. 0,00095 amu, 0,00095 x 931 MeV = 0,88445 MeV enerjiye eşdeğerdir.
Doğru cevap B şıkkıdır.

Bilgi:
Amu = atomik kütle birimi
MeV = mega elektron volt (enerji birimi).

4. Çekirdek kütlesi ₄Be⁹ = 9,0121 amu, proton kütlesi = 1,0078 amu ve nötron kütlesi 1,0086 amu. Eğer 1 amu 931 MeV enerjiye eşdeğer ise, atomik bağlanma enerjisi nedir? ₄Be⁹ dır…

A. 51,39 MeV
B. 57,82 MeV
C. 62,10 MeV
D. 90,12 MeV
E. 90,74 MeV

Pembahasan
Bir atomun kütlesi, atomu oluşturan protonların, nötronların ve elektronların toplam kütlesine eşit değildir. Protonlar, nötronlar ve elektronlar tepkimeye girerek bir atom oluşturduğunda, ortaya çıkan atomun kütlesi, atomu oluşturan tüm protonların, elektronların ve nötronların kütlelerinin toplamından daha azdır. Bunun nedeni, bir miktar kütlenin kaybolmasıdır. Kaybolan kütle, atomun oluşum süreci sırasında açığa çıkan enerjiye eşdeğerdir. Tersine, atomu oluşturan protonlar, nötronlar ve elektronlar birbirinden ayrılana kadar atomu parçalamak için, atomun oluşum süreci sırasında açığa çıkan enerjiye eşit bir enerji gerekir. Bu enerji miktarı şuna eşittir: atomik bağlanma enerjisi.

Bilinen :
Proton sayısı = 4
Nötron sayısı = 9 – 4 = 5
Çekirdek kütle ₄Be⁹ = 9,0121 küçük
Proton kütlesi = 1,0078 amu
Nötron kütlesi = 1,0086 amu
1 atomik kütle birimi (amu), 931 MeV enerjiye eşdeğerdir.
Soruldu Atom bağlanma enerjisi ₄Be⁹
Cevab :

Proton ve nötronların kütlesi :
Tüm protonların kütlesi = 4 x 1,0078 amu = 4,0312 amu
Tüm nötronların kütlesi = 5 x 1,0086 amu = 5,043 amu  
Proton ve nötronun kütlesi = 4,0312 amu + 5,043 amu = 9,0742 amu
Kitlesel kayıp :
Proton ve nötronların kütlesi – çekirdeğin kütlesi = 9,0742 amu – 9,0121 amu = 0,0621 amu
Açığa çıkan enerji = atomik bağlanma enerjisi :
0,0621 amu x 931 MeV = 57,82 MeV
Doğru cevap B şıkkıdır.

Açıklama: sma = atomik kütle birimi, sMeV = mega elektronvolt (enerji birimi)

5. Bir uranyum atom çekirdeği ₉₂U²³⁸ = 238,0508 amu. Proton kütlesi (m_p) = 1,0078 amu. Nötron kütlesi (m_n) = 1.0086 sma. (1 sma = 931 MeV) o halde bir uranyum atomunun bağlanma enerjisi şöyledir: ₉₂U²³⁸ dır…

A. 9271,76 MeV
B. 2830,50 MeV
C. 2399,73 MeV
D. 1922,24 MeV
E. 1789,75 MeV

Pembahasan
Bilinen :
Proton sayısı = 92
Nötron sayısı = 238 – 92 = 146
Çekirdek kütlesi = 238,0508 amu
Proton kütlesi = 1,0078 amu
Nötron kütlesi = 1.0086 amu
Soruldu Atom bağlanma enerjisi ₄Be⁹
Cevab :
Proton ve nötronların kütlesi :
Tüm protonların kütlesi = 92 x 1,0078 amu = 92,7176 amu
Tüm nötronların kütlesi = 146 x 1,0086 amu = 147,2556 amu 
Proton ve nötronun kütlesi = 92,7176 amu + 147,2556 amu = 239,9732 küçük
Kitlesel kayıp :
Proton ve nötronların kütlesi – çekirdeğin kütlesi = 239,9732 amu – 238,0508 amu = 1,9224 amu
Açığa çıkan enerji = atomik bağlanma enerjisi :
1,9224 amu x 931 MeV = 1789,75 MeV
Doğru cevap E şıkkıdır.

6. Radyoizotopların hayattaki faydaları şunlardır:
(1) boru sızıntılarının izlenmesinde bir gösterge olarak
(2) cerrahi aletlerin yerine
(3) gıda koruyucuları
(4) Yiyecekleri hızlı ısıtır
Doğru ifade şudur…
A. (1), (2) ve (3)
B. (1), (2) ve (4)
C. (2), (3) ve (4)
D. (1) ve (3)
E. (2) ve (4)
Pembahasan
Doğru cevap D şıkkıdır.

7. Aşağıdaki ifadeler:
(1) radyoterapi
(2) toprak su içeriğinin ölçülmesi
(3) bir izleyici olarak
(4) fosillerin yaşını belirlemek
Sağlık sektöründe radyoizotopların kullanımı...
A. (1). (2), (3) ve (4)
B. (1), (2) ve (3)
C. (1) ve (3)
D. (2) ve (4)
(4)
Pembahasan
Doğru cevap C şıkkıdır.

8. C-14 radyoizotopu şu amaçlarla kullanılabilir:
A. Tiroid bezinin fonksiyonunun tespiti
B. Kalbin çalışmasının etkinliğini bilmek
C. kanser hücrelerini öldürmek
D. Seramik sahteciliğinin tespiti
E. Fosillerin yaşını belirlemek
Pembahasan
Doğru cevap E şıkkıdır.

9. Radyoizotop iyot-131 insanlar tarafından şu amaçla kullanılır:…
A. Tiroid bezlerinin tespiti
B. kemik hastalığını tespit etmek
C. kanser hücrelerini öldürmek
D. Fosillerin yaşını belirlemek
E. Malzemelere zarar vermeden inceleme
Pembahasan
Doğru cevap A şıkkıdır.

Soru kaynağı:

Lise/Meslek Lisesi İçin Ulusal Fizik Sınavı Soruları