Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

11.7: Енергія з ядра

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20139

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Поясніть, звідки береться атомна енергія.
    • Опишіть різницю між поділом і зрощенням.
    • Знайте ключові приклади ядерного поділу та ядерного синтезу.

    Комбінація радіохімії та радіаційної хімії використовується для вивчення ядерних реакцій, таких як поділ і синтез. Деякі ранні докази ядерного поділу було утворення короткочасного радіоізотопу барію, який був виділений з опроміненого нейтронами урану (139 Ба, з періодом напіврозпаду 83 хвилини і 140 Ба, з періодом напіврозпаду 12,8 днів, є основними продуктами поділу урану). Ядерний поділ - це розщеплення атомного ядра. У ядерній зброї та реакторах нейтрони вражають нестабільні ядра, утворюючи менші атоми. Ядерний синтез - це об'єднання двох атомних ядер з утворенням більшого атома. Малюнок\(\PageIndex{1}\) ілюструє різницю між ядерним поділом і ядерним синтезом.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\) Ядерне поділ відбувається з одним великим ядерним розщепленням на два або більше менших ядер (зліва). Ядерний синтез відбувається, коли два невеликих ядра об'єднуються, утворюючи більше ядро (праворуч).

    Ейнштейн і еквівалентність маси і енергії

    Ядерні зміни відбуваються з одночасним вивільненням енергії. Звідки береться ця енергія? Якби ми могли точно виміряти маси реагентів і продуктів ядерної реакції, ми б помітили, що кількість маси трохи падає при перетворенні з реагентів в продукти. Розглянемо наступне ядерне рівняння, в якому молярна маса кожного виду вказана до чотирьох знаків після коми:

    \[_{235.0439}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{138.9088}^{139}\textrm{Ba}+_{93.9343}^{94}\textrm{Kr}+_{2\times 1.0087}^{2^{1}}\textrm{n} \nonumber \]

    Якщо порівнювати масу реагенту (235.0439) з масами продуктів (сума = 234.8605), то помічаємо різницю в масі -0,1834 г або -0,0001834 кг. Куди поділася ця маса?

    Відповідно до теорії відносності Альберта Ейнштейна, енергія (Е) і маса (м) пов'язані наступним рівнянням:

    \[E = mc^2 \nonumber \]

    де c - швидкість світла, або\[c=3.00\times 10^{8}\, m/s \nonumber \]

    В ході хімічної реакції на уран різниця мас перетворюється в енергію, яка виділяється реакцією:

    \[E=(-0.0001834\, kg)(3.00\times 10^{8}\, m/s)^{2}=-1.65\times 10^{13}J=-1.65\times 10^{10}kJ \nonumber \]

    (Щоб одиниці відпрацювали, маса повинна виражатися в одиницях кілограмів.) Тобто 16,5 млрд кДж енергії віддається кожен раз, коли 1 моль урану-235 піддається цій ядерній реакції. Це надзвичайна кількість енергії. Порівняйте його з реакціями горіння вуглеводнів, які виділяють близько 650кДж/моль енергії на кожну одиницю СН 2 у вуглеводні - близько сотень кілоджоулів на моль. Ядерні реакції виділяють мільярди кілоджоулів на моль.

    Якби цю енергію можна було б правильно зібрати, вона була б значним джерелом енергії для нашого суспільства. Ядерна енергія передбачає контрольований збір енергії з реакцій поділу. Реакцію можна контролювати, оскільки поділ урану-235 (та кількох інших ізотопів, таких як плутоній-239) може бути штучно ініційований шляхом введення нейтрона в ядро урану. Загальне ядерне рівняння, з енергією, включеною як добуток, виглядає наступним чином:

    \[_{}^{235}\textrm{U}\: +\: _{ }^{1}\textrm{n}\rightarrow \: _{ }^{139}\textrm{Ba}\: +\: _{ }^{94}\textrm{Kr}\: +\: 3_{ }^{1}\textrm{n} \nonumber \]

    Таким чином, шляхом ретельного додавання додаткових нейтронів до зразка урану, ми можемо контролювати процес поділу та отримувати енергію, яку можна використовувати для інших цілей. (Штучна або індукована радіоактивність, при якій нейтрони вводяться у зразок речовини, що згодом спричиняє поділ, вперше була продемонстрована в 1934 році Ірен Жоліо-Кюрі та Фредерік Жоліо, дочка і зять Марії Кюрі.)

    Енергія зв'язування

    Сили, що зв'язують нуклони між собою в атомному ядрі, набагато більше, ніж ті, що пов'язують електрон з атомом за допомогою електростатичного тяжіння. Це видно по відносним розмірам атомного ядра і атома (\(10^{-15}\)і\(10^{-10}\) m відповідно). Тому енергія, необхідна для вилучення нуклона з ядра, набагато більша, ніж енергія, необхідна для видалення (або іонізації) електрона в атомі. Загалом, всі ядерні зміни передбачають велику кількість енергії на частку, яка проходить реакцію. Це має численні практичні застосування.

    clipboard_ed3b33fb66ef9839c504bb79610cf5bc7.png
    \(\PageIndex{2}\)Малюнок Енергія зв'язку - це енергія, необхідна для розбиття ядра на складові його протони і нейтрони. Система відокремлених нуклонів має більшу масу, ніж система зв'язаних нуклонів.

    Як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\), енергія вкладається в систему, щоб розбити ядро. Необхідна кількість енергії називається загальною енергією зв'язку (ВЕ),\(E_b\). Енергія зв'язку дорівнює кількості енергії, що виділяється при формуванні ядра, і тому дається

    \[E_b = (\Delta m)c^2. \label{BE} \]

    У ядерній фізиці однією з найважливіших експериментальних величин є енергія зв'язування на нуклеон (BEN), яка визначається

    \[BEN = \dfrac{E_b}{A} \label{BEN} \]

    Ця величина є середньою енергією, необхідною для видалення окремого нуклону (протона або нейтрона) з ядра - аналогічно енергії іонізації електрона в атомі. Якщо БЕН відносно великий, ядро відносно стабільне. Значення BEN оцінюються з експериментів ядерного розсіювання.

    \(\PageIndex{3}\)На малюнку показані відносні енергії зв'язку для різних ізотопів. З цих елементів для ділення потрібні важкі, нестійкі ядра. Це означає, що вибрані атоми мали б низькі енергії зв'язку і мали б великі атомні маси. Ядра, які більші за Fe-56, можуть піддаватися поділу. Уран-238 і уран-235 мають нижчі енергії зв'язку з важкими масами-.

    clipboard_e88498fc3879325a2b0df71ee87f91024.png
    Малюнок.\(\PageIndex{3}\) На цьому графіку енергії зв'язування на нуклон для стабільних ядер БЕН найбільший для ядер з масою близько\(^{56}Fe\). Тому злиття ядер з масовими числами набагато менше, ніж у Fe, і поділ ядер з масовими числами більше, ніж у Fe, є екзотермічними процесами. (КУБ ПО. OpenStax).

    Ці два ізотопи були б придатними для розщеплення на основі цих вимог. З цих двох ізотопів легко ділиться тільки уран-235. Це пов'язано з непарним підрахунком нейтронів, що сприяють додатковій нестабільності. Ще один ділиться ізотоп, не показаний на малюнку,\(\PageIndex{3}\) - плутоній-239. Це синтетичний ізотоп, що утворюється в результаті реакцій трансмутації і розпаду. Як і уран-235, він має низьку енергію зв'язування, високу масу і непарну кількість нейтронів. U-235 і Pu-239 використовуються в атомних бомбах (на основі поділу) і ядерних реакторах.

    Позитивно заряджені центри атомів роблять ядерний синтез вкрай складним. З цієї причини менші атоми підходять для реакцій злиття. Крім того, ці конкретні ізотопи повинні мати низькі енергії зв'язування, щоб піддаватися синтезу. Атомами, що володіють цими двома якостями, є Н-2 і Н-3. Для злиття потрібні екстремальні температури для злиття цих дейтерію та тритію разом.

    Як ми побачимо, графік BEN-Versus- A передбачає, що розділені або комбіновані ядра виділяють величезну кількість енергії. Це основа для широкого спектру явищ, починаючи від виробництва електроенергії на атомній електростанції і закінчуючи сонячним світлом.

    Ядерний поділ

    Як при поділі, так і при синтезі велика кількість енергії виділяється у вигляді тепла, світла та гамма-випромінювання. Італійський фізик Енріко Фермі виконав першу реакцію поділу в 1934 році. Він не знав, що він розщепив атом урану на два менших ядра. Ядерне поділ важких елементів було виявлено 17 грудня 1938 року німецьким Отто Ханом та його помічником Фріцем Штрассманном, і теоретично пояснено в січні 1939 року Лізою Мейтнер (рис.\(\PageIndex{4}\)) та її племінником Отто Робертом Фрішем. Фріш назвав процес «діленням» за аналогією з біологічним поділом живих клітин.

    Фігура\(\PageIndex{4}\) австрійського фізика, Ліза Майтнер з U-238.

    Зображення взяти з: https://upload.wikimedia.org/wikiped...ner12crop2.J

    З тих пір поділ спостерігається в багатьох інших ізотопах, включаючи більшість ізотопів актинідів, які мають непарну кількість нейтронів. Типова реакція ділення ядер показана на малюнку\(\PageIndex{5}\).

    Показано діаграму, яка має білу сферу з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n», а потім стрілка праворуч та велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 235, індекс 92, U». Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до вертикальної колекції у формі гантелі тих же білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 236, індекс 92, U, нестабільне ядро». Дві стрілки, спрямовані вправо, ведуть зверху і знизу цієї структури до двох нових сфер, які також складаються із зеленої та білої сфер і трохи менші за інші. Верхня сфера позначена як «верхній індекс, 92, індекс 36, K r», а нижня - «верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a». Візерунок зіркового вибуху з міткою «Енергія» лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до трьох білих сфер з позначкою «3, верхній індекс, 1, індекс 0, n». Збалансоване ядерне рівняння написано під діаграмою і говорить «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс, 92, індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.»
    Малюнок.\(\PageIndex{5}\) Коли повільний нейтрон потрапляє на ділиться ядро U-235, він поглинається і утворює нестійке ядро U-236. Ядро U-236 потім швидко розпадається на два менших ядра (в даному випадку Ba-141 і Kr-92) разом з декількома нейтронами (зазвичай два-три) і виділяє дуже велику кількість енергії.

    Серед продуктів реакції поділу Мейтнера, Хана та Штрассмана були барій, криптон, лантан та церій, всі з яких мають ядра, які є більш стабільними, ніж уран-235. З тих пір серед продуктів ділиться речовин спостерігалися сотні різних ізотопів.

    Розподіл був використаний в ядерній зброї і повноважень всіх ядерних реакторів. Приблизно п'ятдесят п'ять країн світу володіють технологією поділу у вигляді дослідницьких або енергетичних реакторів. Менше десяти з цих країн мають зброю поділу.

    Величезна кількість енергії виробляється при діленні важких елементів. Наприклад, коли один моль U-235 піддається поділу, продукти важать приблизно на 0,2 грама менше, ніж реагенти; ця «втрачена» маса перетворюється в дуже велику кількість енергії, приблизно 1,8 × 10 10 кДж на моль U-235. Ядерні реакції поділу виробляють неймовірно велику кількість енергії порівняно з хімічними реакціями. Поділ 1 кілограма урану-235, наприклад, виробляє приблизно в 2,5 мільйона разів більше енергії, ніж виробляється при спалюванні 1 кілограма вугілля.

    Ядерна ланцюгова реакція

    Як було описано раніше, при діленні U-235 утворює два «середніх» ядра, і два або три нейтрона. Потім ці нейтрони можуть спричинити поділ інших атомів урану-235, які, в свою чергу, забезпечують більше нейтронів, які можуть спричинити поділ ще більшої кількості ядер тощо. Якщо це відбувається, у нас відбувається ядерна ланцюгова реакція (рис.\(\PageIndex{6}\)). З іншого боку, якщо занадто багато нейтронів виходять з сипучого матеріалу, не взаємодіючи з ядром, то ніякої ланцюгової реакції не відбудеться.

    Показано діаграму, яка має білу сферу з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n», а потім стрілка праворуч та велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 235, індекс 92, U». Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до пари менших сфер, які є колекціями тих же білих і зелених сфер. Верхнє з цих двох зображень позначено «верхній індекс, 93, індекс 36, K r», а нижнє з двох позначено «верхній індекс, 142, індекс 56, B a». Візерунок зіркового вибуху з міткою «Енергія» лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до трьох білих сфер з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n». Рівняння нижче цієї частини діаграми читає ««верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 140, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс 90, нижній індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n». Стрілка, спрямована вправо, веде від кожної з цих білих сфер до трьох більших сфер, кожна з яких складається з безлічі менших зелених і білих сфер і позначені зверху вниз як «a, надскрипт, 235, індекс 92, U» і «c, надскрипт, 235, індекс 92, U» і «c, надскрипт, 235, індекс 92, U». За кожною з цих сфер слідує стрілка, спрямована вправо, яка вказує на пару менших сфер, що складаються з тих же зелених і білих сфер з візерунками зоряного вибуху між кожною парою з позначкою «Енергія». Сфери верхньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 96, нижній індекс 37, R b» і «верхній індекс, 137, нижній індекс 55, C s». Сфери середньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 90, індекс 38, S r» і «верхній індекс, 144, індекс 54, X e». Сфери нижньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r» і «верхній індекс, 146, індекс 57, L a». За кожною парою сфер слідують три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть до трьох білих сфер з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n». Нижче діаграми розташовані три ядерних рівняння. Рівняння a читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 96, нижній індекс 37, R b, знак плюс, верхній індекс 137, нижній індекс 55, C s, знак плюса, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n». Рівняння b читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюса, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 90, індекс 38, S r, знак плюса, верхній індекс 54, X e, знак плюса, 2, верхній індекс 0, n». Рівняння c читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r, знак плюс, верхній індекс 146, нижній індекс 57, L a, знак плюс, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n»
    \(\PageIndex{6}\)Малюнок. Розщеплення великого ядра, такого як U-235, виробляє два-три нейтрони, кожен з яких здатний викликати поділ іншого ядра показаними реакціями. Якщо цей процес триває, відбувається ядерна ланцюгова реакція.

    Матеріал, який може підтримувати ланцюгову реакцію ядерного поділу, як кажуть, є розщепленим або ділиться. (Технічно розщеплюється матеріал може піддаватися поділу нейтронами будь-якої енергії, тоді як ділиться матеріал вимагає високоенергетичних нейтронів.) Ядерний поділ стає самоокупним, коли кількість нейтронів, що утворюються поділом, дорівнює або перевищує кількість нейтронів, поглинених розщепленням ядер плюс число, які виходять в навколишнє середовище. Кількість матеріалу, що ділиться, який буде підтримувати самоокупну ланцюгову реакцію, є критичною масою. Кількість матеріалу, що ділиться, що не може витримати ланцюгову реакцію, - це докритична маса. Кількість матеріалу, в якому спостерігається зростаюча швидкість ділення, відома як надкритична маса. Критична маса залежить від типу матеріалу: його чистоти, температури, форми зразка і способу управління нейтронними реакціями (рис.\(\PageIndex{7}\)).

    Зображення показані та марковані «a», «b» та «c». Зображення a, позначене «Субкритична маса», показує синій фон кола з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю кола. Стрілка, спрямована вниз вправо, вказує на те, що біла сфера входить в коло. Сім маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен має стрілку, звернену від нього назовні кола, в, здавалося б, випадкових напрямках. Зображення b, позначене «Критична маса», показує синій фон кола з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю кола. Стрілка, спрямована вниз вправо, вказує на те, що біла сфера входить в коло. Сімнадцять маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен має стрілку, звернену від нього назовні кола, в, здавалося б, випадкових напрямках. Зображення c, позначене «Критична маса від відхилення нейтронів», показує синій фон кола, що лежить у більшому фіолетовому колі, з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю фіолетового кола. Стрілка вниз, спрямована вправо, вказує на те, що біла сфера входить в обидва кола. Тринадцять маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен з них має стрілку, звернену від нього назовні синього кола, і пару поза фіолетовим колом, в, здавалося б, випадкових напрямках.
    Малюнок\(\PageIndex{7}\) (а) У докритичній масі матеріал, що розщеплюється занадто малий і дозволяє занадто великій кількості нейтронів виходити з матеріалу, тому ланцюгова реакція не відбувається. (б) У критичній масі досить велика кількість нейтронів в розщепленому матеріалі індукують поділ для створення ланцюгової реакції.

    Термоядерні реакції

    Термоядерний синтез - це спосіб досягнення ядерного синтезу за допомогою надзвичайно високих температур. Існує дві форми термоядерного синтезу: неконтрольований, при якому отримана енергія виділяється неконтрольованим способом, як це відбувається в термоядерній зброї («водневі бомби») і в більшості зірок; і контрольована, де реакції синтезу відбуваються в середовищі, що дозволяє деяким або всю енергію, що виділяється для використання в конструктивних цілях. Обговорення нижче обмежується процесом злиття, який забезпечує вплив сонця та зірок.

    Основним виробником енергії на сонці є злиття водню з утворенням гелію, яке відбувається при температурі сонячного ядра 14 мільйонів кельвінів. Чистий результат - злиття чотирьох протонів в одну альфа-частинку, з вивільненням двох позитронів, двох нейтрино (що змінює два протони в нейтрони), і енергії (рис.\(\PageIndex{8}\)).

    Це чиста реакція більш складної серії подій:

    \[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2 ^1_{0}n} \nonumber \]

    Гелієве ядро має масу, яка на 0,7% менше, ніж у чотирьох ядер водню; ця втрачена маса перетворюється в енергію під час злиття. Ця реакція виробляє близько 3,6 × 10 11 кДж енергії на моль\(\ce{^4_2He}\) виробленої. Це дещо більше енергії, виробленої ядерним поділом одного моля У-235 (1,8 × 10 10 кДж), і понад 3 мільйони разів більше енергії, виробленої при (хімічному) згорянні одного моля октану (5471 кДж).

    Малюнок\(\PageIndex{8}\) Ядерний синтез виробляє гелій (зліва). Сонце є зіркою головної послідовності, і таким чином генерує свою енергію шляхом ядерного злиття ядер водню в гелій (праворуч).

    Резюме

    • Ядерна енергія походить від крихітних масових змін ядер, коли відбуваються радіоактивні процеси.
    • При поділі великі ядра розпадаються і виділяють енергію; при злитті дрібні ядра зливаються разом і виділяють енергію.
    • Триває процес, при якому нейтрони, що утворюються від початкового поділу великого ядра, такого як U-235, викликають подальше поділ іншого ядра.
    • У критичній масі досить велика кількість нейтронів в розщеплюється матеріалі індукують поділ для створення ланцюгової реакції.
    • Найважливішим процесом злиття в природі є той, який керує зірками. Чистим результатом є злиття чотирьох протонів в одну альфа-частинку, з вивільненням двох позитронів, двох нейтрино (що змінює два протони в нейтрони), і енергії

    Автори та атрибуція