fizikzauglom

เกรด 9 · ฟิสิกส์นิวเคลียร์

พลังงานยึดเหนี่ยว ฟิชชัน และเครื่องปฏิกรณ์

ส่วนพร่องมวล ปฏิกิริยาลูกโซ่ สภาวะวิกฤต และพลังงานนิวเคลียร์

32 นาที6 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

นิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวกันมีมวลน้อยกว่าผลรวมมวลของโปรตอนและนิวตรอนชุดเดียวกันที่แยกเป็นอิสระ ไม่มีนิวคลีออนใดหายไป ดังนั้นการเปรียบเทียบสถานะทั้งสองต้องคำนึงถึงพลังงานปฏิสัมพันธ์ด้วย

เปรียบเทียบมวลของอนุภาคชุดเดิมอิสระ: 2p + 2nนิวเคลียส ⁴He: 2p + 2n+00++00+2mₚ + 2mₙ>mядраนิวคลีออนสี่ตัวเดิมผลต่างเกี่ยวข้องกับพลังงานนิวคลีออนไม่ได้หายไป
เปรียบเทียบโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวชุดเดียวกัน ด้านซ้ายเป็นอนุภาคอิสระ ด้านขวาเป็นนิวเคลียสฮีเลียม-4 ที่ยึดเหนี่ยว บวกแทนประจุโปรตอน ศูนย์แทนความเป็นกลางของนิวตรอน องค์ประกอบไม่เปลี่ยน แต่มวลสถานะยึดเหนี่ยวน้อยกว่าผลรวมมวลอนุภาคอิสระ ขนาดและระยะเป็นภาพจำลอง ไม่ได้ใช้การหายไปของนิวคลีออนแทนผลต่างมวล

ต้องใช้พลังงานเพื่อแยกอนุภาคที่ยึดเหนี่ยวกัน

การแยกนิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวกันออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนอิสระต้องป้อนพลังงาน อนุภาคไม่แยกกระจายเองจากระบบยึดเหนี่ยวที่เสถียร พลังงานที่ต้องใช้เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว Eсв ในกระบวนการย้อนกลับ เมื่อสร้างนิวเคลียสเดิมจากนิวคลีออนอิสระ พลังงานปริมาณเดียวกันอาจถูกปล่อยออก เราเปรียบเทียบอนุภาคชุดเดียวกันในสองสถานะ ระบบที่ยึดเหนี่ยวแน่นกว่าต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อแยกออกทั้งหมด

การแยกและการรวมกลับ+00++00+ป้อน Eсв+00++00+ปล่อย Eсвแต่ละสถานะมี 2p + 2n ชุดเดิม
แถวบนแยกนิวเคลียสฮีเลียม-4 เป็นโปรตอนอิสระสองตัวกับนิวตรอนสองตัว โดยป้อนพลังงานยึดเหนี่ยว แถวล่างอนุภาคอิสระชุดเดิมรวมเป็นนิวเคลียสและปล่อยพลังงานปริมาณเดียวกัน จำนวนอนุภาคและประจุอนุรักษ์ในทั้งสองแถว ลูกศรระหว่างสถานะแสดงกระบวนการ ลูกศรแนวตั้งแสดงการถ่ายโอนพลังงาน ขนาดเป็นภาพจำลอง

มวลของสถานะยึดเหนี่ยว

กำหนด Δm = ผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระ − มวลนิวเคลียส ส่วนพร่องมวลนี้เป็นบวกสำหรับนิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวเมื่อเทียบกับอนุภาคที่แยกจากกัน นิวคลีออนไม่ได้หายไป แต่พลังงานนิ่งรวมของระบบยึดเหนี่ยวลดลง มวลจึงลดลงด้วย ลองนึกว่าแยกอนุภาคและป้อนพลังงานที่จำเป็น ระบบที่แยกแล้วจะมีมวลมากขึ้น คำว่า ‘พร่อง’ หมายถึงผลการเปรียบเทียบ ไม่ใช่สสารที่เสียหาย

Δm = ผลรวมมวล − มวลนิวเคลียสผลรวมมวล−มวลนิวเคลียสΔm > 0ไม่มีนิวคลีออนหายไปมวลน้อยลง พลังงานระบบน้อยลง
ส่วนพร่องมวลคือผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระลบมวลนิวเคลียส มีค่าเป็นบวกสำหรับนิวเคลียสยึดเหนี่ยว แต่ไม่มีนิวคลีออนหายไป

แปลงผลต่างมวลเป็นพลังงาน

ความสัมพันธ์คือ Eсв = Δmc² โดย c เป็นอัตราเร็วแสงในสุญญากาศ เมื่อ Δm เพิ่มเป็นสองเท่า พลังงานยึดเหนี่ยวก็เป็นสองเท่า หากต้องการคำตอบเป็นจูล ให้ใช้ Δm เป็นกิโลกรัมและ c เป็นเมตรต่อวินาที เพราะ кг·м²/с² ให้หน่วย Дж ค่า c² ที่ใหญ่มากอธิบายว่าทำไมผลต่างมวลเล็กน้อยจึงเทียบเท่าพลังงานมากได้ ถ้า Δm = 0 พลังงานยึดเหนี่ยวเมื่อเทียบกับอนุภาคอิสระที่เลือกจะเป็นศูนย์

ผลต่างมวลเทียบเท่าพลังงานอิสระ: 2p + 2nนิวเคลียส ⁴He: 2p + 2n+00++00+2mₚ + 2mₙ>mядраนิวคลีออนสี่ตัวเดิมEсв = Δm·c²кг · (м/с)² = Дж
ด้านซ้ายคือโปรตอนอิสระสองตัวกับนิวตรอนสองตัว ด้านขวาคือนิวเคลียสฮีเลียม-4 จากอนุภาคชุดเดิม โปรตอนกำกับบวกและนิวตรอนกำกับศูนย์ มวลนิวเคลียสน้อยกว่า 2mₚ+2mₙ เท่ากับส่วนพร่องมวลบวก Δm ต้องใช้พลังงานยึดเหนี่ยว Eсв=Δmc² เพื่อแยก ส่วนการรวมกลับปล่อยพลังงานเท่ากัน ขนาดอนุภาคเป็นภาพจำลอง หากคำนวณเป็นจูล ใช้มวลเป็นกิโลกรัมและอัตราเร็วเป็นเมตรต่อวินาที

หน่วยมวลขนาดเล็ก

มวลของนิวเคลียสแต่ละนิวเคลียสมีค่าน้อยมากเมื่อเขียนเป็นกิโลกรัม หน่วยมวลอะตอมเท่ากับหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมคาร์บอน-12 อิสระที่อยู่นิ่งในสถานะพื้น มีค่าประมาณ 1.66·10⁻²⁷ กิโลกรัม นี่คือหน่วยมวล ไม่ใช่จำนวนนิวคลีออน A เมื่อเปรียบเทียบมวลอะตอมกับมวลนิวเคลียสจากตาราง ต้องคำนึงถึงมวลอิเล็กตรอน การคำนวณส่วนพร่องมวลต้องเปรียบเทียบวัตถุชุดที่สอดคล้องกัน

ส่วนหนึ่งของมวลทั้งอะตอมมวลอะตอม ¹²C = 12 а.е.м.1/12 ของมวลอะตอม = 1 а.е.м.1 а.е.м. ≈ 1,66·10⁻²⁷ кгอะตอมอิสระที่อยู่นิ่งและอยู่ในสถานะพื้น
แถบแทนมวลของอะตอมคาร์บอน-12 อิสระทั้งอะตอมที่อยู่นิ่งในสถานะพื้น รวมอิเล็กตรอนด้วย แบ่งมวลเป็นสิบสองส่วนเท่ากัน ส่วนที่เน้นหนึ่งส่วนเท่ากับหนึ่งหน่วยมวลอะตอม นี่ไม่ใช่ภาพตัดอะตอมหรือนิวคลีออนสิบสองตัวที่แยกกัน หนึ่งหน่วยมวลอะตอมมีค่าประมาณ 1.66·10⁻²⁷ กิโลกรัม

หน่วยพลังงานขนาดเล็ก

พลังงานขนาดเล็กก็ควรใช้หน่วยที่สะดวก อิเล็กตรอนโวลต์คือพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับเมื่อถูกเร่งในสุญญากาศผ่านความต่างศักย์ 1 โวลต์ มีค่าประมาณ 1.6·10⁻¹⁹ จูล เมกะอิเล็กตรอนโวลต์คือหนึ่งล้านอิเล็กตรอนโวลต์ อนุภาคใช้ช่วยนิยามหน่วยเท่านั้น พลังงานนิวเคลียสและโฟตอนก็เขียนในหน่วยนี้ได้ โวลต์กับอิเล็กตรอนโวลต์ใช้แทนกันไม่ได้ หน่วยแรกวัดความต่างศักย์ หน่วยหลังวัดพลังงาน

ความต่างศักย์: 1 В−+สนาม E−การเคลื่อนที่และแรงบน e⁻พลังงานเพิ่ม Eкин = 1 эВ1 эВ ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Дж1 МэВ = 10⁶ эВ
ในสุญญากาศ อิเล็กตรอนเคลื่อนจากแผ่นลบไปยังแผ่นบวก สนามไฟฟ้าชี้ซ้าย แต่แรงบนอิเล็กตรอนประจุลบชี้ขวา เมื่อผ่านความต่างศักย์ 1 โวลต์ พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น 1 อิเล็กตรอนโวลต์ นี่คือพลังงานที่เพิ่ม ไม่จำเป็นต้องเป็นพลังงานสุดท้ายทั้งหมด อิเล็กตรอนโวลต์เป็นหน่วยพลังงาน โดย 1 МэВ = 10⁶ эВ

หน่วยที่สะดวกในฟิสิกส์นิวเคลียร์

เพื่อไม่ต้องแปลงมวลเป็นกิโลกรัมทุกครั้ง ใช้ความสัมพันธ์ 1 а.е.м.·c² ≈ 931,5 МэВ นำค่า Δm ในหน่วยมวลอะตอมคูณ 931.5 จะได้พลังงานเป็นเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ นี่ยังคงเป็นสูตร Eсв = Δmc² แต่ใช้หน่วยอีกชุด จะนำมวลในหน่วยมวลอะตอมแทนคู่กับ c ในเมตรต่อวินาที แล้วเรียกผลว่าจูลไม่ได้ หน่วยต้องสอดคล้องกันตลอดการคำนวณ

หน่วยทางนิวเคลียร์มวลใน а.е.м.พลังงานใน эВ1 а.е.м. · c² ≈ 931,5 МэВอย่าใช้ а.е.м. ปนกับกิโลกรัมโดยไม่แปลง
การคำนวณนิวเคลียร์ใช้หน่วยมวลอะตอมสำหรับมวล และอิเล็กตรอนโวลต์สำหรับพลังงาน โดยเชื่อมกันด้วยตัวประกอบการแปลง ห้ามใช้หน่วยมวลอะตอมปะปนกับกิโลกรัม

เปรียบเทียบพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน

นิวเคลียสใหญ่โดยทั่วไปมีพลังงานยึดเหนี่ยวรวมมากกว่าเพราะมีอนุภาคมากกว่า หากต้องการเปรียบเทียบการยึดเหนี่ยวเฉลี่ย ให้นำ Eсв หารด้วย A ในฟิชชันที่ปล่อยพลังงาน อนุภาคสุดท้ายมีมวลรวมน้อยกว่า ผลต่างปรากฏเป็นพลังงานจลน์และรังสี อย่างไรก็ตาม พลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยเพียงอย่างเดียวทำนายเสถียรภาพต่อการสลายกัมมันตรังสีไม่ได้ ต้องพิจารณาการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่เกิดได้และเงื่อนไขด้านพลังงานด้วย

Eсв / A — การยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออนนิวเคลียสหนักชิ้นส่วนนิวเคลียสยึดเหนี่ยวแน่นขึ้น → มวลน้อยลงมาตราส่วนเชิงคุณภาพ
ภาพเปรียบเทียบฟิชชันของนิวเคลียสหนักที่ปล่อยพลังงานอย่างจำลอง แท่งแสดงพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน โดยชิ้นส่วนที่ได้ยึดเหนี่ยวแน่นกว่าโดยเฉลี่ย มาตราส่วนเป็นเชิงคุณภาพ ความสูงไม่ได้ระบุอัตราส่วนจากการวัด หากต้องการพลังงานที่ปล่อยแน่นอน ต้องเปรียบเทียบมวลอนุภาคเริ่มต้นทั้งหมด รวมถึงนิวตรอนที่เข้าชน กับผลิตผลทั้งหมด รวมถึงนิวตรอนอิสระ ผลต่างถูกปล่อยเป็นพลังงานจลน์และรังสี การยึดเหนี่ยวเฉลี่ยอย่างเดียวไม่ได้กำหนดเสถียรภาพต่อการสลายกัมมันตรังสี

เกิดอะไรขึ้นในฟิชชัน

นิวเคลียสหนักบางชนิด เช่น ยูเรเนียม-235 อาจดูดกลืนนิวตรอนแล้วแยกเป็นชิ้นส่วนนิวเคลียสที่เบากว่า พร้อมปล่อยนิวตรอนใหม่และพลังงาน นี่คือฟิชชัน ไม่ใช่การปล่อยอนุภาคแอลฟาหรือบีตาหนึ่งตัว พลังงานถูกปล่อยเพราะอนุภาคสุดท้ายมีมวลรวมน้อยลง การแยกนิวเคลียสใด ๆ ไม่ได้รับประกันว่าจะปล่อยพลังงาน ต้องตรวจทิศทางของสมดุลพลังงาน

ฟิชชัน U-235 ปล่อยพลังงานn²³⁵UZ = 92ผลิตผล¹⁴¹Ba⁹²Kr3n235 + 1 = 141 + 92 + 392 = 56 + 36ช่องทางหนึ่งที่เป็นไปได้
ช่องทางหนึ่งที่เป็นไปได้คือ นิวเคลียสยูเรเนียม-235 ดูดกลืนนิวตรอนแล้วให้แบเรียม-141 คริปทอน-92 และนิวตรอนสามตัว พร้อมปล่อยพลังงาน เลขมวลรวมคงเดิม: 235+1=141+92+3 และเลขอะตอม: 92=56+36 วงกลมที่มีชื่อแทนนิวเคลียสทั้งก้อน ไม่ใช่นิวคลีออนที่วาดหรือขนาดจริง ฟิชชันครั้งอื่นอาจให้ผลิตผลต่างกัน อนุภาคที่เคลื่อนที่และรังสีนำพลังงานออกไป

ปฏิกิริยาลูกโซ่จะดำเนินต่อหรือไม่

นิวตรอนจากฟิชชันหนึ่งครั้งอาจทำให้เกิดฟิชชันครั้งต่อไป ถ้าแต่ละเหตุการณ์ทำให้เกิดเหตุการณ์ถัดไปเฉลี่ยหนึ่งครั้ง ปฏิกิริยาจะดำรงอยู่ ถ้าน้อยกว่าหนึ่งจะค่อย ๆ ดับ ไม่ใช่นิวตรอนทุกตัวที่ต่อปฏิกิริยาได้ บางตัวออกจากวัสดุหรือถูกดูดกลืนโดยไม่เกิดฟิชชันที่ต้องการ จึงต้องพิจารณาสมดุล ไม่ใช่เพียงจำนวนนิวตรอนที่เกิด แบบจำลองเชิงคุณภาพนี้อธิบายการดำรงปฏิกิริยาได้โดยไม่สมมติว่านิวตรอนทุกตัวต้องพบนิวเคลียสถัดไป

ไม่ใช่ทุกนิวตรอนที่ต่อปฏิกิริยาฟิชชันฟิชชันฟิชชันดูดกลืนหลุดออกนิวตรอนเฉลี่ยหนึ่งครั้งถัดไป ลูกโซ่ดำรงอยู่
แต่ละวงกลมแทนเหตุการณ์ฟิชชัน ลูกศรสีน้ำเงินแสดงเส้นทางบางส่วนของนิวตรอนที่เกิด นิวตรอนอาจทำให้เกิดฟิชชันถัดไป ถูกดูดกลืนโดยไม่เกิดฟิชชัน หรือออกจากวัสดุ ภาพแสดงสามเหตุการณ์ต่อเนื่องและตัวอย่างการสูญเสีย จำนวนเส้นไม่ได้ระบุจำนวนนิวตรอนที่เกิดแต่ละครั้งอย่างแน่นอน การดำรงปฏิกิริยาขึ้นกับสมดุลเฉลี่ย คือฟิชชันก่อนหน้าหนึ่งครั้งทำให้เกิดครั้งถัดไปเฉลี่ยหนึ่งครั้ง ภาพนี้ไม่กำหนดขนาด รูปร่าง หรือองค์ประกอบวัสดุ

สภาวะวิกฤต

สภาวะวิกฤตคือสภาวะที่การเกิดและการสูญเสียนิวตรอนทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ดำรงอยู่ได้ ดังนั้นมวลวิกฤตจึงไม่ใช่ค่าตายตัวที่ใช้ได้กับวัสดุทุกชิ้น แต่ยังขึ้นกับองค์ประกอบ รูปร่าง และการดูดกลืน การเปลี่ยนสิ่งรอบข้างเปลี่ยนการสูญเสียนิวตรอนได้แม้มวลเท่าเดิม จุดสำคัญคือเข้าใจว่าเงื่อนไขต่าง ๆ เกี่ยวข้องกันอย่างไร ไม่ใช่สรุปเพียงว่า ‘มีสสารมาก’ ก็เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

จำนวนฟิชชันถัดไปเฉลี่ยน้อยกว่า 1012ค่อย ๆ ดับเท่ากับ 1012ดำรงอยู่มากกว่า 1012เพิ่มขึ้น0, 1, 2 คือรุ่น ความสูงเป็นภาพจำลองไม่มีมวลวิกฤตค่าเดียวสำหรับทุกกรณี
แผนภาพจำลองสามชุดแสดงจำนวนฟิชชันเฉลี่ยในแต่ละรุ่นต่อเนื่องกัน หากจำนวนฟิชชันถัดไปเฉลี่ยน้อยกว่าหนึ่ง จำนวนจะลดลง ถ้าเท่ากับหนึ่งจะคงที่ และถ้ามากกว่าหนึ่งจะเพิ่มขึ้น นี่คือแนวโน้มทางสถิติ ไม่ใช่กิ่งปฏิกิริยาที่กำหนดล่วงหน้าของทุกเหตุการณ์ สภาวะวิกฤตคือสมดุลระหว่างการเกิดกับการสูญเสียนิวตรอน ไม่มีมวลวิกฤตสากลระบุไว้ เพราะองค์ประกอบ รูปร่าง และสิ่งรอบข้างก็มีผล

การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์

เครื่องปฏิกรณ์ควบคุมจำนวนนิวตรอนที่ต่อปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ แท่งควบคุมดูดกลืนนิวตรอนบางส่วน สารหล่อเย็นนำความร้อนที่ปล่อยออกไป ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนช้า สารหน่วงนิวตรอนลดอัตราเร็วนิวตรอน ซึ่งเป็นหน้าที่ต่างจากการดูดกลืน วัสดุหนึ่งอาจทำหลายหน้าที่ แต่ต้องแยกบทบาททางฟิสิกส์ให้ชัด การควบคุมปฏิกิริยากับการระบายความร้อนทำงานสัมพันธ์กัน แต่ใช้แทนกันไม่ได้

หน้าที่ต่างกันสามอย่างแท่งควบคุมสารหน่วงสารหล่อเย็นv₁v₂ < v₁ดูดกลืน nลดอัตราเร็วนำความร้อนออกการหน่วงต่างจากการดูดกลืนหน้าที่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนช้า
ภาพสามภาพแยกหน้าที่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนช้า แท่งควบคุมดูดกลืนนิวตรอน เส้นทางจึงจบที่ตัวดูดกลืน ในสารหน่วง นิวตรอนยังเคลื่อนที่หลังชนแต่ช้าลง เพราะถ่ายพลังงานบางส่วนให้สสาร ความยาวลูกศรเปรียบเทียบอัตราเร็วในเชิงคุณภาพเท่านั้น สารหล่อเย็นนำความร้อนจากเชื้อเพลิงออกไป หน้าที่เหล่านี้ต่างกัน แม้บางเครื่องปฏิกรณ์ใช้วัสดุหนึ่งทำสองหน้าที่ ภาพไม่ได้แสดงแบบก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ใดโดยเฉพาะ

จากนิวเคลียสสู่ไฟฟ้า

พลังงานฟิชชันเริ่มต้นเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของผลิตผลเป็นหลัก จากนั้นทำให้วัสดุและสารหล่อเย็นร้อนขึ้น วัฏจักรความร้อนขับกังหัน และเครื่องกำเนิดผลิตไฟฟ้า แม้ปฏิกิริยาลูกโซ่หลักหยุดแล้ว ผลิตผลฟิชชันยังสลายกัมมันตรังสีและปล่อยความร้อนตกค้าง ดังนั้นการหยุดปฏิกิริยาไม่ได้ทำให้ความร้อนหยุดทันที ยังต้องระบายความร้อน ใช้วัสดุกำบัง และจัดการสารกัมมันตรังสี

เส้นทางพลังงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันและความร้อนสารหล่อเย็นและวัฏจักรความร้อนกังหันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไฟฟ้าแหล่งรับความร้อนระบายความร้อนลูกโซ่หยุดแล้ว ยังต้องระบายความร้อน
พลังงานฟิชชันถ่ายสู่สารหล่อเย็น แล้ววัฏจักรความร้อนเปลี่ยนเป็นงานของกังหัน กังหันหมุนเครื่องกำเนิดให้พลังงานไฟฟ้า วัฏจักรความร้อนต้องถ่ายพลังงานบางส่วนสู่แหล่งรับความร้อนอุณหภูมิต่ำ ภาพนี้แสดงการถ่ายโอนพลังงาน ไม่ใช่ท่อของโรงไฟฟ้าใดโดยเฉพาะ หลังลูกโซ่หยุด ผลิตผลฟิชชันยังปล่อยความร้อน จึงต้องระบายความร้อนต่อ พร้อมใช้วัสดุกำบังและจัดการสารกัมมันตรังสี

พลังงานยึดเหนี่ยวจากส่วนพร่องมวล

นิวเคลียสมีส่วนพร่องมวล 0.01 หน่วยมวลอะตอม จงหาพลังงานยึดเหนี่ยว โดยใช้ 1 а.е.м.·c² = 931,5 МэВ

Δm = 0,01 а.е.м.Eนิวคลีออนอิสระนิวเคลียสยึดเหนี่ยวEсвพลังงานยึดเหนี่ยว — ?หาผลต่างพลังงาน1 а.е.м.·c² = 931,5 МэВ
ภาพเปรียบเทียบพลังงานนิ่งของนิวเคลียสยึดเหนี่ยวกับนิวคลีออนอิสระชุดเดียวกัน ระดับล่างคือนิวเคลียส ระดับบนคืออนุภาคที่แยกกัน ส่วนพร่องมวลเท่ากับ 0.01 หน่วยมวลอะตอม ต้องหาพลังงานยึดเหนี่ยว ระยะระหว่างระดับเป็นภาพจำลอง ไม่ได้ระบุพลังงานสัมบูรณ์หรือองค์ประกอบของนิวเคลียสที่ไม่ทราบชนิดนี้ ขั้นต่อไปยังใช้มาตราส่วนเดิม

ลองดูตัวอย่าง · 1

ส่วนพร่องมวลแสดงผลต่างระหว่างนิวคลีออนที่แยกกันกับนิวเคลียสยึดเหนี่ยว การแยกนิวเคลียสต้องป้อนพลังงาน Eсв = Δmc²

Δm = 0,01 а.е.м.Eนิวคลีออนอิสระนิวเคลียสยึดเหนี่ยวEсвป้อนEсв = Δm·c²1 а.е.м.·c² = 931,5 МэВ
ใช้มาตราส่วนพลังงานและส่วนพร่องมวลเดิม ลูกศรขึ้นที่เพิ่มมาแทนการป้อนพลังงานเพื่อแยกนิวเคลียสเป็นนิวคลีออนอิสระชุดเดิม ผลต่างที่ต้องใช้ Eсв เท่ากับ Δmc² ตัวประกอบที่ให้เชื่อมหนึ่งหน่วยมวลอะตอมเมื่อคูณ c² กับพลังงาน 931.5 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์

ลองดูตัวอย่าง · 2

ความสัมพันธ์ที่ให้มาแปลง а.е.м.·c² เป็น МэВ ได้โดยตรง: Eсв = 0,01 · 931,5 = 9,315 МэВ

Δm = 0,01 а.е.м.Eนิวคลีออนอิสระนิวเคลียสยึดเหนี่ยวEсвป้อน0,01 · 931,5 = 9,315 МэВа.е.м. · (МэВ / а.е.м.) = МэВ
ระดับ ระยะห่าง ลูกศรป้อนพลังงาน และส่วนพร่องมวลคงเดิม คูณ 0.01 หน่วยมวลอะตอมด้วย 931.5 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อหน่วยมวลอะตอม ได้ 9.315 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ หน่วยมวลอะตอมตัดกัน ไม่ใช้กิโลกรัมและจูลปะปนในแนวคำนวณนี้ ค่าที่ได้แสดงผลต่างระหว่างระดับคู่เดิม

ลองดูตัวอย่าง · 3

ผลบวกหมายถึงต้องใช้พลังงานเพื่อแยกอนุภาค ในกระบวนการย้อนกลับที่นิวคลีออนอิสระชุดเดิมยึดเหนี่ยวกัน พลังงานนี้เท่ากับการลดลงของพลังงานนิ่งของระบบ

Δm = 0,01 а.е.м.Eนิวคลีออนอิสระนิวเคลียสยึดเหนี่ยวEсвป้อนEсв = 9,315 МэВ > 0หลังแยก พลังงานนิ่งมากขึ้น
มาตราส่วนเดิมอธิบายคำตอบบวก 9.315 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ การแยกต้องป้อนพลังงาน เพราะพลังงานนิ่งรวมของนิวคลีออนอิสระมากกว่าของนิวเคลียสยึดเหนี่ยว องค์ประกอบอนุภาคคงเดิมในการเปรียบเทียบนี้ นี่ไม่ใช่พลังงานที่ได้จากการแยกนิวเคลียส และไม่ใช่การกล่าวถึงไอโซโทปที่ไม่ได้ระบุ

ตรวจสอบผลลัพธ์

พลังงานยึดเหนี่ยวเท่ากับ 9.315 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งเทียบเท่าส่วนพร่องมวลที่กำหนด และต้องใช้เพื่อแยกนิวเคลียสเป็นนิวคลีออนอิสระ

สาระสำคัญ · 1

มวลระบบขึ้นกับพลังงานของสถานะ การยึดเหนี่ยวลดพลังงานนิ่งโดยไม่มีนิวคลีออนหายไป

สาระสำคัญ · 2

Eсв = Δmc² เชื่อมผลต่างมวลที่วัดได้กับพลังงาน โดยหน่วยที่เลือกต้องสอดคล้องกัน

สาระสำคัญ · 3

ฟิชชันอาจปล่อยพลังงานและเกิดเป็นลูกโซ่ได้ ส่วนการควบคุมนิวตรอนกับการนำความร้อนออกมีหน้าที่ต่างกัน

เรียนอะไรต่อ

ต่อไปเปรียบเทียบฟิชชันกับฟิวชัน และศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีกับสสาร

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ปฏิกิริยาฟิชชันและลูกโซ่

นิวเคลียสที่หนักสามารถแยกออกและปล่อยพลังงานและนิวตรอนออกมาซึ่งอาจทำให้เกิดฟิชชันใหม่ได้

ปฏิกิริยาที่ดำรงอยู่เองต้องมีสภาวะวิกฤต มวลวิกฤตไม่ได้ขึ้นกับปริมาณสสารเท่านั้น แต่ขึ้นกับรูปร่าง องค์ประกอบ และการสูญเสียนิวตรอนด้วย

ส่วนพร่องมวลและพลังงานยึดเหนี่ยว

นิวเคลียสยึดเหนี่ยวมีมวลน้อยกว่าผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระ ผลต่างนี้เทียบเท่าพลังงานยึดเหนี่ยว

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนบอกความแน่นของการยึดเหนี่ยวเฉลี่ย ในปฏิกิริยาที่ปล่อยพลังงาน มวลรวมอนุภาคสุดท้ายน้อยกว่ามวลเริ่มต้น เสถียรภาพต่อการสลายกัมมันตรังสีพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยเพียงอย่างเดียวไม่ได้

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อุปกรณ์จะรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมและขจัดความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในภายหลัง

พลังงานนิวเคลียร์ให้พลังงานจำนวนมากโดยปล่อยก๊าซคาร์บอนโดยตรงต่ำ แต่ต้องมีความปลอดภัยที่เข้มงวด การจัดการของเสีย และการป้องกันอุบัติเหตุ

ปริมาณทางฟิสิกส์

2 ปริมาณ

ส่วนพร่องมวล

\Delta m

ผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระลบด้วยมวลนิวเคลียสยึดเหนี่ยว

หน่วย: หน่วยมวลอะตอม · \mathrm{а.е.м.}

พลังงานยึดเหนี่ยว

E_{\text{св}}

พลังงานที่ต้องใช้เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนอิสระ

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

พลังงานยึดเหนี่ยว

E_{\text{св}}=\Delta mc^2

พลังงานยึดเหนี่ยวเท่ากับส่วนพร่องมวลคูณอัตราเร็วแสงยกกำลังสอง

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

พลังงานE, W · Дж

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ

ฟิสิกส์นิวเคลียร์เกรด 9 · 18 โจทย์