Деление и синтез

В центре каждого атома находится ядро. Это ядро ​​атома, составляющее более 99% массы атома. Он состоит из нейтронов и протонов, которые удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием. Более тяжелые атомы состоят из более тяжелых ядер, то есть протонов и нейтронов больше. Эти крошечные компоненты ответственны за некоторые из самых энергичных (и разрушительных) реакций, происходящих на Земле. С тех пор, как люди узнали, что ядра могут быть разделены или слиты, нам стало любопытно понять энергии, участвующие в этих реакциях. В этой статье мы обсудим расщепление и объединение ядер, также известное как деление а также слияние соответственно.

Значение деления и синтеза

Атомы меньшего размера могут иногда объединяться, образуя более тяжелые атомы, когда их ядра сталкиваются и сливаются. Этот процесс известен как термоядерная реакция, при котором выделяется энергия. Более тяжелые ядра также могут быть расщеплены в процессе, называемом ядерное деление, который производит меньшие ядра и некоторую энергию.

Реакции ядерного деления

Некоторые тяжелые атомы нестабильны и поддерживают стабильность, испуская радиоактивные частицы, такие как альфа- и бета-частицы. Этот процесс происходит спонтанно и хаотично. Большие ядра также могут стать более стабильными, разделившись на два меньших ядра. Этот процесс известен как ядерное деление и не является случайным. Чтобы произошло расщепление, требуется, чтобы нейтрон столкнулся с тяжелым ядром.После столкновения нейтрона с ядром ядро ​​становится нестабильным. Затем ядро ​​разделяется на два меньших ядра одинакового размера и при этом высвобождает два или три нейтрона вместе с большим количеством энергии в виде гамма-лучей. Меньшие ядра, известные как продукты деления, обычно также нестабильны и могут высвобождать альфа- или бета-частицы для достижения стабильности. Часть высвобождаемой энергии находится в виде кинетическая энергия продуктов деления. Пример ниже показывает, как происходит деление.

На рисунке ниже показан пример деления урана-235 на барий-139 и криптон-95.

Ядро урана-235 сталкивается с нейтроном и распадается на барий-139 и криптон-95. В процессе высвобождается два нейтрона вместе с энергией 200 МэВ, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.

Нейтрон попадает в стабильное ядро ​​урана-235, что на мгновение делает его нестабильным. Затем он распадается на барий-139 и криптон-95, которые являются меньшими ядрами. Два нейтрона высвобождаются в процессе andof энергии (это эквивалентно). Ядра бария и криптона могут подвергаться альфа- и бета-распаду и образовывать еще более мелкие ядра. Все продукты деления (барий, криптон и ядра) обладают некоторой кинетической энергией после того, как произошло деление.

Схема ядерного деления

Движущиеся нейтроны ответственны за возникновение деления, а продукты деления включают нейтроны с кинетической энергией. Эти произведенные нейтроны могут быть использованы для дальнейшего ядерного деления. Этот процесс называется ядерным цепная реакция. В приведенном выше примере показано, что уран-235 подвергается делению с образованием бария-139 и криптона-95 и двух нейтронов. Эти два нейтрона могут вызвать деление еще двух ядер урана с образованием четырех нейтронов, которые могут вызвать четыре деления. Таким образом, число делений со временем будет расти экспоненциально. Это называется неконтролируемая цепная реакция и может высвободить огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Именно этот принцип был использован при создании атомной бомбы. Даже небольшое количество расщепляющегося урана может уничтожить целый город.

Если бы мы могли контролировать количество нейтронов-продуктов, используемых для инициирования дальнейших делений, мы могли бы контролировать общее количество высвобождаемой энергии. Если для деления одного ядра используется только один нейтрон-продукт, то цепная реакция находится под контролем. Так создаются ядерные реакторы деления с использованием урана. На приведенной ниже диаграмме деления показана неконтролируемая цепная реакция, которая могла бы возникнуть при делении урана-236.

Уран-236 подвергается делению с образованием бария-144 и криптона-89. Затем два произведенных нейтрона используются для деления еще двух ядер урана-236. Процесс продолжается в виде неконтролируемой цепной реакции, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.

Пример ядерного деления

Мы должны сначала вспомнить, что символ для любого нейтрального атома записывается следующим образом:

где атомный номер представляет собой количество протонов в ядре этого атома, а массовое число представляет собой количество протонов и нейтронов в ядре. Теперь, если мы рассмотрим предыдущий пример расщепления урана-235 на барий-139 и криптон-95, мы можем написать уравнение реакции, представляющее баланс реагентов и продуктов. Это называется ядерным уравнением, и уравнение для описанного примера выглядит следующим образом. масса а также атомные номера обе части ядерного уравнения должны остаток средств чтобы произошла ядерная реакция. Обратите внимание, что это уравнение содержит стрелку, направленную вправо, а не символ равенства.

Реагенты указаны слева от этой стрелки, а продукты — справа. Атомные и массовые числа по обе стороны этого уравнения уравновешиваются, а это означает, что деление действительно может происходить таким образом.В приведенном ниже примере показано, как можно записать другое ядерное уравнение.

может поглотить нейтрон и подвергнуться ядерному делению с образованием и трех нейтронов. Напишите ядерное уравнение этой реакции деления.

Ядерное уравнение должно содержать все реагенты и продукты, и мы должны убедиться, что массовые числа и атомные числа сбалансированы по обе стороны уравнения. Мы можем написать уравнение как

что является правильным сбалансированным уравнением для этой реакции деления. Давайте проверим, что это сбалансированное уравнение, сравнив атомные номера в левой (левой) и правой части (правой) части уравнения.

Оба атомных номера равны 92, так что они действительно сбалансированы. Давайте проверим массовые числа дальше:

Массовые числа также уравновешиваются, что является следствием сохранения массы.

Реакции ядерного синтеза

Если два легких ядра сливаются, они могут образовать одно более тяжелое ядро ​​и при этом высвободить энергию. Это известно как ядерный синтез. Взаимодействие требует значительных затрат энергии. Ядерный синтез происходит в звездах, таких как Солнце, и является основным источником их энергии. Температура и давление на звездах достаточно велики, чтобы два атома водорода (по два протона в каждом) слились в ядро ​​гелия (два протона и два нейтрона). При этом два протона превращаются в нейтроны. Масса ядра гелия меньше массы атомов водорода, слившихся в него, поэтому оставшаяся часть массы высвобождается в виде энергии после реакции синтеза. Ядерный синтез не создает радиоактивных продуктов, и это делает его хорошим кандидатом в качестве источника чистой энергии в будущем.

Схема ядерного синтеза

Диаграмма синтеза ниже представляет собой синтез двух изотопов водорода; дейтерия и трития. В результате этого синтеза образуется гелий вместе с нейтроном с кинетической энергией и значительным количеством энергии в виде тепла.

Диаграмма, показывающая слияние двух изотопов водорода; дейтерий и тритий, которые сливаются с образованием гелия.В процессе выделяется нейтрон вместе со значительным количеством энергии, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.

Пример ядерного синтеза

Давайте рассмотрим рисунок выше и попытаемся написать и сбалансировать ядерное уравнение для реакции.

Для синтеза дейтерия и трития выше мы можем написать ядерное уравнение следующим образом:

Давайте сначала проверим, что атомные номера уравновешиваются по обе стороны этого уравнения.

Оба атомных номера равны 2, так что теперь мы можем проверить массовые числа.

Массовое число равно 5 по обе стороны этого уравнения, поэтому существует баланс. Эта реакция синтеза действительно может произойти.

Различия и сходства между делением и синтезом

В следующей таблице приведены некоторые различия и сходства между ядерным делением и ядерным синтезом.

Различия между делением и синтезом
Сходства между делением и синтезом
Деление — это расщепление ядер, а слияние — слияние ядер.
Деление и синтез — это ядерные процессы, в которых участвует взаимодействие атомных ядер.
В делении обычно участвуют большие ядра, тогда как в синтезе участвуют ядра меньшего размера.
В реакциях деления и синтеза выделяется энергия.
При делении есть радиоактивные продукты, а при синтезе нет.
В качестве источников энергии можно использовать как деление, так и синтез.

Fission and Fusion — ключевые выводы

• Ядерное деление происходит, когда большие нестабильные ядра расщепляются на два меньших ядра (продукты деления).
• Два или три нейтрона также производятся ядерным делением вместе со значительным количеством энергии.
• Процесс начинается, когда движущийся нейтрон сталкивается с ядром, что делает его нестабильным.
• Продукты деления также могут быть нестабильными и распадаться с испусканием альфа- или бета-частиц.
• Продукты деления после реакции приобретают кинетическую энергию.
• Высвобожденные нейтроны могут инициировать дальнейшие деления в процессе, называемом цепной реакцией.
• Неконтролируемые цепные реакции инициируют реакции деления с экспоненциальной скоростью.
• Управляемые цепные реакции происходят, когда реакция деления инициирует только одну другую реакцию.
• Атомные электростанции используют управляемые реакции деления для выработки электроэнергии.
• Стержни управления бором используются в ядерных реакторах деления для контроля скорости реакций деления.
• Ядерные уравнения могут использоваться для описания реакций деления.
• Ядерный синтез происходит, когда легкие ядра сливаются в одно более тяжелое ядро.
• Для начала синтеза требуется значительное количество энергии.
• Слияние происходит в звездах, когда водород превращается в гелий из-за высоких температур и давлений.
• Fusion является кандидатом для производства экологически чистой энергии.

Часто задаваемые вопросы о делении и синтезе

Что такое деление и синтез?

Атомы меньшего размера могут иногда объединяться, образуя более тяжелые атомы, когда их ядра сталкиваются и сливаются. Этот процесс известен как ядерный синтез, во время которого высвобождается энергия. Более тяжелые ядра также могут быть расщеплены в процессе, называемом ядерным делением, в результате которого образуются более мелкие ядра и некоторое количество энергии.

Что является примером деления и синтеза?

Уран-235 может делиться и производить барий-139, криптон-95 и энергию. Дейтерий и тритий могут сливаться с образованием гелия, нейтрона и энергии.

В чем разница между делением и синтезом?

Деление — это расщепление ядер, а слияние — слияние ядер. В делении обычно участвуют большие ядра, тогда как в синтезе участвуют ядра меньшего размера. При делении есть радиоактивные продукты, а при синтезе нет.

Что мощнее: деление или синтез?

Типичная реакция синтеза производит больше энергии, чем типичная реакция деления.

Почему термоядерный синтез невозможен на Земле?

На Земле термоядерный синтез невозможен, просто трудно достичь энергии и температуры, необходимых для инициирования термоядерных реакций на Земле. В мире есть много термоядерных реакторов, которые часто проводят термоядерные реакции при температурах, намного превышающих температуру на поверхности Солнца!