Что сильнее, горение или ядерная реакция

[16.2] Как соотносится масса ядра с суммой масс его протонов и нейтронов? Зависит ли ответ от того, какое ядро ​​вы рассматриваете? Если да, объясните.
Отвечать:
Масса любого ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов; разница между ними заключается в энергии связи. Величина энергии связи варьируется от ядра к ядру: энергия связи на нуклон составляет 1 МэВ для дейтерия, около 7 МэВ для гелия-4, около 8,8 МэВ для железа-56 и 7,6 МэВ для урана-238.

[16.3] Высвобождается ли ядерная энергия из углерода в результате синтеза или деления или ни того, ни другого? Из золота? Из железа?
Отвечать:
Энергия связи на нуклон имеет максимум для железа-56 (см. также ответ на предыдущую задачу). Для ядер, которые меньше, чем железо-56 (т.е.с массовым числом меньше 56) ядерная энергия может выделяться в результате процессов синтеза, а для ядер с массовым числом выше 56 процессы деления могут приводить к выделению ядерной энергии. Следовательно, углерод (массовое число 12, 13, 14) может слиться с выделением энергии, золото (массовое число 197) может выделить энергию в процессе деления, а железо тоже не может.

[16.5] В каком из следующих процессов происходит изменение массы покоя в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии? В каких из них действительно можно измерить изменение массы покоя?
Процессы:
Подогрев чашки кофе, работа ядерного реактора, взрыв тротила, взрыв атомной бомбы, взрыв термоядерной бомбы, поднятие книги.
Отвечать:
Во всех этих процессах происходит изменение массы за счет изменения энергии, но величина этого изменения достаточно велика, чтобы ее можно было измерить только в процессах, связанных с ядерными реакциями, т. ядерная или термоядерная бомба. Во всех других случаях изменение массы слишком мало, чтобы его можно было измерить.

[16.6] Слияние ядер гелия в более тяжелые ядра происходит только на более поздних стадиях истории звезды, когда звезда достигает более высокой температуры вследствие своего коллапса. Почему вы ожидаете, что синтез гелия будет происходить только при более высоких температурах, чем те, которые необходимы для синтеза водорода?
Отвечать:
Чтобы произошло слияние, ядра должны приблизиться друг к другу достаточно близко, чтобы они находились в пределах действия сильного взаимодействия, которое затем притягивает их друг к другу. Поскольку ядра гелия имеют два протона, их заряд в два раза больше, чем у ядер водорода (=протонов), и поэтому их взаимное отталкивание за счет электрической силы в четыре раза сильнее, чем между ядрами водорода. Для преодоления этого более высокого "кулоновского барьера" им необходимы более высокие кинетические энергии, т.е. температура должна быть выше.

[16.8] Прежде чем взорваться, сверхновая 1987 года объединила множество элементов. В одной реакции С-12 слился с Не-4.Какое ядро ​​образовалось при этом?
Отвечать:
Слияние C-12 с He-4 дает O-16 (8 протонов, 8 нейтронов).

[16.12] Укажите одно или несколько сходств между горением и делением. Укажите одно или несколько отличий.
Отвечать:
Сходства: оба преобразуют микроскопические формы энергии (химической, ядерной) в тепловую энергию; в обоих случаях теряется масса покоя; оба процесса можно сделать самоподдерживающимися, если использовать достаточное количество правильных материалов в соответствующей конфигурации.
Отличия:
Горение – это химический процесс, т.е. процесс, вызываемый электромагнитным взаимодействием. Это связано с изменением энергетических уровней электронов, связанных в атоме или молекуле; поэтому энергия, выделяемая в элементарном процессе, порядка эВ. Деление — ядерный процесс, в котором участвуют ядерное (сильное) и электромагнитное взаимодействия. Он влечет за собой расщепление ядер на более мелкие, т. е. сопровождается изменением энергии связи нуклонов. Разности энергий между энергетическими уровнями в ядрах порядка МэВ, т.е. примерно в миллион раз больше, чем разности атомных уровней. Следовательно, ядерная реакция обычно высвобождает в миллион раз больше энергии на элементарный процесс. При делении выделяются нейтроны, а при горении нет. Для деления требуются нейтроны, а для горения — нет.

[16.14] Расчеты: Большая атомная электростанция вырабатывает энергию со скоростью около 1000 мегаватт или джоулей в секунду. Энергия исходит от U-235. Примерно сколько массы покоя исчезает за один день? Если вместо этого энергию получать из угля, по-прежнему мощностью 1000 мегаватт, исчезнет ли какая-либо масса покоя? Если да, то сколько за один день?
Отвечать:
Для получения выходной мощности 1000 МВт требуется около 2500 МВт подводимой мощности из-за неэффективности тепловой машины и других частей электростанции. Энергия, преобразованная в тепловую ("выделившуюся") за одни сутки, равна мощности, умноженной на продолжительность одних суток, т.е.

"Потерянная" масса покоя равна энергии, деленной на квадрат скорости света:

Таким образом, за сутки исчезает 2,4 грамма массы покоя. Это составляет примерно 1 часть на 1000 массы урана-235 в реакторе. Если бы энергия исходила из угля, то такое же количество массы покоя должно было бы исчезнуть, но это была бы крошечная доля от общей массы потребленного угля.
(Чтобы получить такую ​​же энергию из угля, нужно было бы сжигать около 100 кг/с, т.е. около 9000 тонн в день.)

домашняя страница для phy1020
Вт, 11 февраля, 16:58:19 по восточному поясному времени 1997 г.