Химические реакции против ядерных

Что такое химическая реакция? Что такое ядерная реакция?

Рисунок 1: Средняя энергия связи ядра как функция атомного номера. [1] (Источник: Викисклад)

Атом – это наименьшая единица вещества, обладающая свойствами химического элемента. Атомы состоят из положительно заряженных протонов, нейтрально заряженных нейтронов и отрицательно заряженных электронов.Протоны и нейтроны, вместе называемые нуклонами, удерживаются вместе в ядре сильным ядерным взаимодействием. Электроны, масса которых почти в 2000 раз меньше массы нуклонов, удерживаются на орбите вокруг ядра электромагнитной силой. [1] Сильное ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие — это два из четырех известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий, остальные — слабое ядерное взаимодействие и гравитация.

Принципиальное различие между химическими реакциями и ядерными реакциями заключается в том, какие субатомные частицы перестраиваются при превращении. В то время как химические реакции, такие как ржавление металла или горение дерева, связаны с перераспределением электронов между атомами, ядерные реакции связаны с перераспределением нуклонов. Например, электролиз воды — это химическая реакция, в которой электроны, вращающиеся вокруг ядер водорода и кислорода, перестраиваются таким образом, что они больше не делятся друг с другом, а разделяются с другими ядрами водорода и кислорода соответственно. В качестве альтернативы, в реакции протон-протонного ядерного синтеза ядра двух атомов водорода сливаются вместе, образуя гелий. Стоит отметить, что элементы идентифицируются по количеству протонов в их ядрах, поэтому только ядерные реакции могут образовывать разные элементы.

В настоящее время химические реакции используются для широкого спектра применений, включая производство топлива, пластмасс, мыла и моющих средств, а также лекарств. Тем не менее, в то время как химические реакции можно считать «мастером на все руки», ядерные реакции, безусловно, являются мастером в одном: производстве полезной энергии. Количество энергии, выделяемой при делении одного килограмма урана-235, в три миллиона раз больше энергии, выделяемой при сгорании одного килограмма угля. [2]

Почему реакции выделяют энергию?

Химические реакции называются экзотермическими, если они выделяют энергию, и эндотермическими, если они поглощают энергию.Является ли реакция экзотермической или эндотермической, определяется относительными энергиями исходных и конечных материалов. Например, газообразный азот очень стабилен и, как синонимично, имеет низкую энергию. Если он реагирует с газообразным водородом с образованием аммиака, химического вещества с более высокой энергией, энергия должна поглощаться из окружающей среды, чтобы реакция продолжалась. Следовательно, эта реакция является эндотермической. Для химических реакций определение относительных энергий участвующих частиц является чрезвычайно сложным предметом физической химии. Однако в первом приближении часто можно предсказать относительную энергию соединений по силе содержащихся в них связей.

Для всех практических целей ядерные реакции осуществляются экзотермически. То есть виды с высокой энергией превращаются в виды с низкой энергией, а высвобождаемая энергия используется для выполнения работы. К счастью, для ядерных реакций относительная энергия видов хорошо определяется энергиями ядерной связи каждого элемента, как показано на рис. 1. Энергия ядерной связи определяется как количество энергии, которое потребовалось бы для разборки ядра. атома. Относительная энергия связи каждого элемента определяется компромиссом между сильной ядерной силой, стягивающей нуклоны вместе, и электростатическим отталкиванием протонов. Поскольку сильное ядерное взаимодействие представляет собой короткодействующее взаимодействие, дополнительные нуклоны сначала вносят вклад в стабильность атома, но в конечном итоге становятся неблагоприятными из-за электростатического отталкивания. Как показано на рис. 1, наиболее стабильным ядром обладает железо. Следовательно, элементы с более низким атомным номером, чем железо, могут сливаться или сплавляться вместе, образуя более стабильный элемент, тем самым высвобождая энергию. И наоборот, элементы с большим атомным номером, чем у железа, могут делиться с образованием более стабильных элементов, снова высвобождая энергию. Но почему высвобождение энергии при ядерной реакции намного больше, чем при химической реакции?

Почему ядерные реакции гораздо более взрывоопасны?

Как показано на рис. 1, энергия, запасенная в ядерной связи, составляет порядка 1 МэВ. С другой стороны, типичная химическая связь хранит энергию порядка 1 эВ, что примерно в миллион раз меньше. [1] На плотность энергии ядра влияют два основных фактора. Во-первых, несмотря на то, что сильное ядерное взаимодействие ограничено диапазоном диаметра ядра среднего размера, оно в 137 раз мощнее, чем электромагнитное взаимодействие на заданном расстоянии. [1] Следовательно, между нуклонами хранится гораздо больше энергии, чем между электроном и протоном. И, во-вторых, ядро ​​намного массивнее окружающего его электронного облака, поскольку более 99,94% массы атома приходится на ядро. [3] Конечно, масса и энергия взаимосвязаны в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc 2 . Именно по этой причине так называемый «дефект массы», связанный с ядерной реакцией, соответствует большому количеству энергии по сравнению с наблюдаемой реакцией, в которой участвуют только электроны. Принимая во внимание эти два фактора, неудивительно, что килограмм урана может обеспечить энергией все Соединенные Штаты в течение трех минут.

© Сэм Дулл. Автор гарантирует, что работа является собственностью автора и что Стэнфордский университет не предоставил никакой информации, кроме руководств по набору текста и ссылкам. Автор разрешает копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.

использованная литература

[1] Э. Сегре, Экспериментальная ядерная физика, Vol. 2 (Уайли, 1953).

[2] Дж. Бернштейн, Ядерное оружие: что вам нужно знать (Издательство Кембриджского университета, 2007 г.).

[3] Ф. Хан, Современный курс университетской физики (Всемирный научный, 2017).