Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.9: ядерний синтез

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    18037

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

    Процес ядерного поділу і радіоактивного розпаду обидва пов'язані з перетворенням атома з великим ядром в атом (або атоми) з меншим ядром. В процесі втрачається маса і виробляється енергія. Однак що станеться, якщо два атоми з малими ядрами об'єднаються, щоб дати один атом з більшим ядром? У такому процесі ядра будуть злиті разом, і цей процес називається ядерним синтезом.

    Один з найпростіших процесів злиття передбачає сплавлення двох атомів водню-2 (дейтерію):

    \[^2_1H + ^2_1H \rightarrow ^4_2He\]

    Маса кожного атома дейтерію становить 2,0140 аму, тоді як маса одержуваного гелію становить 4,0026 аму. Масовий дефект реакції становить 0,0254 аму або 0,63% від початкової маси. Хоча цей відсоток початкової маси може здатися не великим, слід зазначити, що масовий дефект при перетворенні урану-238 в свинцево-206 становить всього 0,026%, а що для розщеплення урану-235 становить 0,056%. Виходячи з цих порівнянь, зрозуміло, що синтез водню виробляє 24x енергії кг/кг, ніж природна радіоактивність, і 11x енергія ядерного поділу.

    Крім того, що є рясним джерелом енергії, синтез насправді є найважливішим процесом у Всесвіті. З моменту затвердження в 1847 році Закону збереження енергії (загальна кількість енергії в ізольованій системі залишається постійною) вчені задавалися питанням про те, як працює сонце. Жодного джерела енергії в 19 столітті не було відомо, що могло б пояснити сонце. Виходячи з віку землі відомо, що Сонцю 4 550 000 000 років, і воно дивувалося постійному джерелу енергії протягом цього періоду часу. До 1920-х років ядерна енергія була визначена як найпотужніший джерело енергії, і британський астрофізик Артур Еддінгтон (рис\(\PageIndex{2}\). 32) припустив, що енергія сонця виникає внаслідок злиття водню в гелій.

    Малюнок <проліт перевести =\ (\ індекс сторінки {2}\) .32.png» клас = «внутрішній за замовчуванням» стиль = «ширина: 370px; висота: 488px;» ширина = «370px» висота = «488px» src=» https://chem.libretexts.org/@api/dek...igure_2.32.png "/>
    Малюнок <проліт перевести =\ (\ індекс сторінки {2}\) .33.png» клас = «внутрішній за замовчуванням» стиль = «ширина: 335px; висота: 488px;» ширина = «335px» висота = «488px» src=» https://chem.libretexts.org/@api/dek...igure_2.33.png "/>
    Малюнок <проліт перевести =\ (\ Індекс сторінки {2}\) .34.png» src =» https://chem.libretexts.org/@api/dek...igure_2.34.png "/>
    Малюнок\(\PageIndex{32}\): (ліворуч) Артур Стенлі Еддінгтон (1882 1944). (середній) Генрі Норріс Рассел (1877 - 1957). (праворуч) Ганс Альбрехт Бете (1906 - 2005).

    У 1929 році американець Генрі Норріс Рассел (рис.\(\PageIndex{33}\)) вивчав спектр сонця. На підставі своїх досліджень він розрахував склад Сонця на 90% водню, 9% гелію і 1% всіх інших елементів аж до заліза (але нічого більш високого атомного номера). З огляду на склад з'ясувалося, що єдиною реакцією, можливою для обліку енергії сонця, є злиття водню. У 1938 році Ганс Бет (рис\(\PageIndex{2}\). 34) продемонстрував модель того, як працювало сонце. Джерелом енергії є злиття водню для отримання гелію (рис.\(\PageIndex{2}\) 35), тоді як в масивних запускається наявність більш важких елементів, таких як вуглець, кисень, азот, неон, кремній і залізо є результатом злиття гелію.

    Малюнок <проліт перевести =\ (\ індекс сторінки {2}\) .35.png» стиль = «ширина: 521 пікселів; висота: 422 пікселів;» ширина = «521px» висота = «422px» src =» https://chem.libretexts.org/@api/dek...igure_2.35.png "/>
    Малюнок\(\PageIndex{35}\): Протонно-протонний ланцюг домінує в зірках розміром з Сонце або менше.

    Чому уран, торій та інші радіоактивні елементи піддаються радіоактивному розпаду, але водень не піддається спонтанному синтезу? Причина цієї різниці полягає в тому, що будь-яка зміна, яку зазнає уран, відбувається всередині вже сформованого ядра, тоді як злиття вимагає, щоб два ядра зійшлися разом. Цей процес призводить до надзвичайно великих сил відштовхування. Так чому ж це відбувається в зірці? Температури всередині зірки наближаються до 15 000 000 ◦ C, тоді як високий тиск призводить до щільності приблизно 160 г/см 3, що для порівняння в 8 разів перевищує показник золота. У цих умовах ядра можуть вільно рухатися в морі електронів. Ядерний синтез відбувається в ядрі Сонця, де щільність є найвищою, але вибух не призводить через надзвичайну гравітацію Сонця: 333,000x, що Землі.

    Дослідження керованого синтезу з метою виробництва термоядерного синтезу для виробництва електроенергії проводяться вже понад 50 років. Це супроводжувалося надзвичайними науково-технічними труднощами, але призвело до прогресу. В даний час беззбитковість (самопідтримуючі) контрольовані реакції синтезу не продемонстровані, однак робота триває, оскільки паливом для такої реакції плавлення є водень (в його сполуках, включаючи воду) є 3-м найпоширенішим елементом на Землі.