Почему при синтезе и делении выделяется энергия?

У меня есть только знания физики средней школы, но вот мое понимание: Слияние: 2 атома объединяются, чтобы сформировать новый атом. Этот процесс высвобождает энергию, удерживающую их друг от друга, и является очень энергичным. Как солнце! Деление: что-то быстрое (например, электрон) врезается в атом, разбивая его на части. Каким-то образом это тоже высвобождает энергию. Меньше энергии, чем у синтеза, и это похоже на ядерный реактор. Теперь я понимаю, что самое низкое энергетическое состояние — это когда все плотно слипается (как при синтезе), и требуется энергия, чтобы разбить их на части. Итак… почему и синтез, и деление высвобождают энергию?

Цитировать
Следовать
178k 37 37 золотых знаков 453 453 серебряных знака2029 2029 бронзовых знаков
спросил 30 янв. 2019 в 1:01
пользователь230910 пользователь230910
1 091 2 2 золотых знака 5 5 серебряных знаков 7 7 бронзовых знаков
$endgroup$

$begingroup$ Между прочим: деление происходит не только при быстром столкновении чего-то с ядром. Это также может произойти, когда один медленный нейтрон сливается с ядром. $endgroup$

30 января 2019 г., 10:28

$begingroup$ Мне бы очень хотелось увидеть ответ с точки зрения энтропии. Как изменяется энтропия системы при делении или слиянии и почему это зависит от размера ядра? $endgroup$

30 января 2019 г., 11:21

$begingroup$ Я удалил некоторые комментарии, которые отвечали на вопрос. Пожалуйста, имейте в виду, что комментарии должны использоваться для предложения улучшений и запроса разъяснений по их родительскому сообщению (т.е. вопросу), а не для ответа. $endgroup$

Статья в тему: Как часто на Землю падают астероиды размером с автомобиль

30 января 2019 г., 21:12

11 ответов 11

Сортировано по: Сбросить по умолчанию
$begingroup$

В целом, оба синтез и деление могут требовать или же выпускать энергия.

Чисто классическая модель

Нуклоны связаны друг с другом сильным (и некоторым слабым) ядерным взаимодействием. Связывание ядер очень короткое; это означает, что мы можем думать о нуклонах как о «слипшихся» благодаря этой силе. Кроме того, протоны отталкиваются из-за их электрического заряда.

Поскольку геометрия означает, что нуклон имеет лишь ограниченное число других нуклонов, к которым он может «прилипнуть», сила притяжения на нуклон более или менее фиксирована.

Отталкивающее электрическое поле имеет большой радиус действия. Это означает, что по мере роста ядра растет и отталкивание, так что в конце концов это отталкивание превышает эффект притяжения, и дальше увеличивать ядро нельзя. Отсюда ограниченное количество возможных элементов.

Фактически это означает, что сила притяжения на нуклон быстро возрастает для небольшого числа нуклонов, затем достигает максимума и начинает падать.

Эквивалентно, энергия связи на нуклон ведет себя аналогично.

Как отметил @cuckoo, у железа и никеля наиболее тесно связаны ядра; железо-56 имеет наименьшую массу на нуклон, а никель-62 имеет наибольшую энергию связи.

Это изображение (из Википедии) иллюстрирует кривую в типичном виде:

Однако я предпочитаю думать об энергии связи как об отрицательной и поэтому лучше визуализировать железо как состояние с наименьшей энергией:

Статья в тему: Игра, где вы собираете астероиды

Для более легких элементов:

Деление требует энергии
Слияние высвобождает энергию

Для более тяжелых элементов верно обратное.

Причина, по которой мы в основном наблюдаем случаи высвобождения энергии, заключается в том, что:

это проще сделать
Это более "полезно"

Цитировать
Следовать
ответ дан 30 янв. 2019 в 6:02
Кейт Кейт
1 501 9 9 серебряных знаков 9 9 бронзовых знаков
$endgroup$

$begingroup$ По-видимому, железо 56 не является самым прочно связанным ядром, железо 58 и никель 62 связаны немного сильнее, но до железа 56 почему-то легче «достичь», используя механизмы слияния/распада, распространенные в звездах. $endgroup$

31 января 2019 г., 5:12

$begingroup$ Так что этот процесс холодного синтеза, о котором я много лет слышал в научной фантастике, уже возможен, просто это не энергия источник? Интересно. $endgroup$

31 января 2019 г., 17:29

$begingroup$ @AlexandreAubrey: Нет, "холодный синтез", если бы он существовал, имел бы то же самое сеть эффект как обычный энерговыделяющий синтез легких ядер. Что делает его «холодным», так это то, что предположительно вы можете каким-то образом заставить это произойти. без прохождение промежуточной стадии, для достижения которой требуется много энергии, а именно, когда два ядра находятся достаточно близко друг к другу, чтобы вы потратили много энергии на преодоление их электростатического отталкивания, но еще не настолько близко друг к другу, чтобы сильное взаимодействие начало притягиваться их. $endgroup$

Статья в тему: Документальный фильм глобальное потепление что будет

31 янв. 2019 г., 21:11

$begingroup$ . Эта стоимость энергии не теряется; оно окупится либо тогда, когда произойдет слияние, либо, если слияния не произойдет, то тогда, когда ядра снова разойдутся с большой скоростью электростатическими силами. Но получающий то, что большое количество энергии, сконцентрированное в паре ядер, в первую очередь является основной технологической проблемой в термоядерной энергетике, и единственный известный способ достичь ее в количестве — это нагреть плазму до безумных температур. Холодный синтез — каким-то образом так и не объясненным — означает способ обойти этот барьер. $endgroup$

31 янв. 2019 г., 21:13

$begingroup$ Однако следует отметить, что он по-прежнему потребляет больше энергии, чем выделяет. Мюоны распадаются довольно быстро, поэтому их нельзя хранить, и для их производства требуется много энергии. $endgroup$

1 фев 2019 в 21:30
$begingroup$

Деление высвобождает энергию, потому что тяжелое ядро (например, уран-235) похоже на взведенную мышеловку: требуется энергия, чтобы сжать все эти протоны и нейтроны достаточно сильно, чтобы они едва держались (под действием ядерных сил) вопреки естественной тенденции к расщеплению. все эти протоны резко разлетаются в стороны из-за их электростатического отталкивания. При попадании входящего нейтрона это похоже на нажатие мыши на спусковой крючок ловушки: ядро взрывается.

В случае термоядерного синтеза механизм другой: ядерная сила между протонами и между нейтронами очень сильно притягивается, но срабатывает только тогда, когда частицы находятся так близко друг к другу, что они «соприкасаются». Этого притяжения недостаточно, чтобы склеить два протона вопреки их электростатическому отталкиванию, но если вы добавите к рецепту два нейтрона, вы получите достаточную ядерную силу взаимного притяжения, чтобы преодолеть электростатику, и частицы затем яростно присосутся друг к другу с очень мощным хлопком.

Статья в тему: Почему вселенная меня ненавидит

Другие реакции синтеза, в которых (2 протона плюс два нейтрона) прижимаются к более тяжелому ядру (например, углероду, азоту, кислороду, фтору и т. д.), выделяют все меньше энергии, потому что для преодоления эффекта отталкивания требуется все больше и больше работы. ядро накапливает больше протонов. К тому времени, когда вы доберетесь до железа, дальнейшие реакции синтеза фактически потреблять энергию вместо того, чтобы высвобождать ее, потому что эффект электростатического отталкивания становится все больше и больше, и вы находитесь в области деление вместо.

голоса

Рейтинг статьи