Αντίδραση σύντηξης

Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία μέσω της οποίας οι πυρηνικές αντιδράσεις μεταξύ ελαφρών στοιχείων σχηματίζουν βαρύτερα στοιχεία (μέχρι και συμπεριλαμβανομένου του σιδήρου). Σε περιπτώσεις όπου οι αλληλεπιδρώντες πυρήνες ανήκουν σε στοιχεία με χαμηλό ατομικό αριθμό (όπως το υδρογόνο [ο ατομικός αριθμός ισούται με 1] ή τα ισότοπά του που είναι το δευτέριο και το τρίτιο), απελευθερώνει σημαντικά ποσά ενέργειας.

Σημειώσεις υλικού μελέτης για τις αντιδράσεις σχάσης και σύντηξης

Αντίδραση σύντηξης

Μια αντίδραση σύντηξης συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα μικρότερα και ελαφρύτερα άτομα συντήκονται μεταξύ τους, γεγονός που δημιουργεί ένα βαρύτερο και μεγαλύτερο άτομο. Μια αντίδραση σύντηξης απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες και περιβάλλον υψηλής πυκνότητας. Απαιτείται εξαιρετικά υψηλή ενέργεια για να ολοκληρωθεί αυτή η αντίδραση. Αλλά η ενέργεια που απελευθερώνεται στις αντιδράσεις σύντηξης είναι 3 έως 4 φορές υψηλότερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται στις αντιδράσεις σχάσης.

Οι αντιδράσεις σύντηξης παρέχουν τη βασική πηγή ενέργειας για τα αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου. Η εξέλιξη των αστεριών μπορεί να θεωρηθεί ως πέρασμα από διάφορα στάδια, καθώς οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις και η πυρηνοσύνθεση προκαλούν αλλαγές στη σύνθεση για μεγάλες χρονικές περιόδους. Η καύση του υδρογόνου (H) εκκινεί την πηγή ενέργειας σύντηξης των άστρων και οδηγεί στη δημιουργία ηλίου (He).

Η παραγωγή ενέργειας σύντηξης για πρακτική χρήση εξαρτάται επίσης από τις αντιδράσεις σύντηξης μεταξύ των ελαφρύτερων στοιχείων που καίγονται για να δημιουργήσουν ήλιο.

Οι αντιδράσεις σύντηξης μεταξύ ελαφρών στοιχείων, όπως οι αντιδράσεις σχάσης που διασπούν βαριά στοιχεία, απελευθερώνουν ενέργεια λόγω μιας βασικής ιδιότητας της πυρηνικής ύλης που ονομάζεται ενέργεια δέσμευσης. Η ενέργεια δέσμευσης μπορεί να απελευθερωθεί με σύντηξη ή σχάση. Η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα είναι ένα μέτρο της αποτελεσματικότητας με την οποία δεσμεύονται τα νουκλεόνια που τον αποτελούν.

Ας εξετάσουμε ένα στοιχείο που έχει Z πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα του. Το ατομικό βάρος του στοιχείου Α είναι Ζ + Ν και ο ατομικός αριθμός του στοιχείου θεωρείται Ζ. Η ενέργεια δέσμευσης Β είναι η ενέργεια που σχετίζεται με τη διαφορά μάζας μεταξύ των πρωτονίων Ζ και των Ν νετρονίων που λαμβάνονται χωριστά και των δεσμευμένων νουκλεονίων ( Z + N) σε έναν πυρήνα με μάζα M.

Έτσι, η ενέργεια δέσμευσης δίνεται ως

B=(Z+N-Mc)²

Εδώ,

mn=μάζα νετρονίου

mp=μάζα πρωτονίου

c =ταχύτητα φωτός

Ενέργεια που απελευθερώνεται στην αντίδραση σύντηξης

Η ενέργεια απελευθερώνεται σε μια πυρηνική αντίδραση όταν η συνολική μάζα των σωματιδίων που προκύπτουν είναι μικρότερη από τη μάζα των αρχικών αντιδρώντων. Για να το προσδιορίσουμε αυτό, πρέπει να εξετάσουμε δύο πυρήνες, οι οποίοι είναι X και a, αντιδρούν για να σχηματίσουν δύο άλλους πυρήνες που είναι Y και b και δίνεται ως

X+a→Y+b

Τα σωματίδια a και b είναι νουκλεόνια που είναι πρωτόνια ή νετρόνια, αλλά γενικά μπορεί να είναι οποιοσδήποτε πυρήνας. Τώρα σκεφτείτε ότι κανένα σωματίδιο δεν διεγείρεται εσωτερικά (δηλαδή, όλα είναι η θεμελιώδης τους κατάσταση), τότε η ποσότητα ενέργειας που ορίζεται ως Q – τιμή για αυτήν την αντίδραση και δίνεται ως

Q=mx+ma-mb-my)c²

Εδώ,

m =αντιπροσωπεύει μάζα

c =ταχύτητα φωτός

Εάν η ενεργειακή τιμή Q είναι θετική, τότε η αντίδραση είναι εξωεργική. Εάν η ενεργειακή τιμή Q είναι αρνητική, τότε η αντίδραση είναι ενδοεργική (δηλαδή απορροφά ενέργεια). Εάν και ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και ο συνολικός αριθμός νετρονίων διατηρηθούν πριν και μετά την αντίδραση (όπως οι αντιδράσεις D-T), τότε το Q -Η τιμή προσδιορίζεται με βάση την ενέργεια δέσμευσης B κάθε σωματιδίου που δίνονται ως

Q=By+Bb-Bx-Ba

Αντίδραση σχάσης

Οι αντιδράσεις σχάσης συμβαίνουν όταν τα νετρόνια βομβαρδίζονται με ασταθή ισότοπα. Αυτός ο τύπος αντίδρασης είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Αλλά οι αρχικές συνθήκες είναι απλές να επιτευχθούν. Σε μια αντίδραση σχάσης, ένα άτομο χωρίζεται σε 2 ή περισσότερα μικρότερα και ελαφρύτερα άτομα. Μια αντίδραση σχάσης παράγει πολύ ραδιενεργά σωματίδια.

Κρίσιμη ενέργεια

Κατ' αρχήν, οποιοσδήποτε πυρήνας μπορεί να διασπαστεί όταν έλθει σε μια αρκετά υψηλή διεγερμένη κατάσταση. Για να πραγματοποιηθεί η σχάση, η ενέργεια διέγερσης για ένα δεδομένο νουκλίδιο πρέπει να είναι πάνω από μια ορισμένη τιμή. Η ελάχιστη ενέργεια διέγερσης που απαιτείται για τη σχάση ονομάζεται κρίσιμη ενέργεια ή ενέργεια κατωφλίου.

Συμπέρασμα

Μια αντίδραση σύντηξης συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα μικρότερα και ελαφρύτερα άτομα συντήκονται μεταξύ τους, γεγονός που δημιουργεί ένα βαρύτερο και μεγαλύτερο άτομο.

Η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα είναι ένα μέτρο της αποτελεσματικότητας με την οποία δεσμεύονται τα νουκλεόνια που τον αποτελούν.

Η ενέργεια δέσμευσης δίνεται ως

B=(Z+N-Mc)²

Εάν η ενεργειακή τιμή Q είναι θετική, τότε η αντίδραση είναι εξωεργική.

Εάν η ενεργειακή τιμή Q είναι αρνητική, τότε η αντίδραση είναι ενδοεργική.

Οι αντιδράσεις σχάσης συμβαίνουν όταν τα νετρόνια βομβαρδίζονται με ασταθή ισότοπα. Αυτός ο τύπος αντίδρασης είναι δύσκολο να ελεγχθεί.

Η ελάχιστη ενέργεια διέγερσης που απαιτείται για τη σχάση ονομάζεται κρίσιμη ενέργεια ή ενέργεια κατωφλίου.