เกรด 9 · ฟิสิกส์นิวเคลียร์
พลังงานยึดเหนี่ยว ฟิชชัน และเครื่องปฏิกรณ์
ส่วนพร่องมวล ปฏิกิริยาลูกโซ่ สภาวะวิกฤต และพลังงานนิวเคลียร์
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
นิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวกันมีมวลน้อยกว่าผลรวมมวลของโปรตอนและนิวตรอนชุดเดียวกันที่แยกเป็นอิสระ ไม่มีนิวคลีออนใดหายไป ดังนั้นการเปรียบเทียบสถานะทั้งสองต้องคำนึงถึงพลังงานปฏิสัมพันธ์ด้วย
ต้องใช้พลังงานเพื่อแยกอนุภาคที่ยึดเหนี่ยวกัน
การแยกนิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวกันออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนอิสระต้องป้อนพลังงาน อนุภาคไม่แยกกระจายเองจากระบบยึดเหนี่ยวที่เสถียร พลังงานที่ต้องใช้เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว Eсв ในกระบวนการย้อนกลับ เมื่อสร้างนิวเคลียสเดิมจากนิวคลีออนอิสระ พลังงานปริมาณเดียวกันอาจถูกปล่อยออก เราเปรียบเทียบอนุภาคชุดเดียวกันในสองสถานะ ระบบที่ยึดเหนี่ยวแน่นกว่าต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อแยกออกทั้งหมด
มวลของสถานะยึดเหนี่ยว
กำหนด Δm = ผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระ − มวลนิวเคลียส ส่วนพร่องมวลนี้เป็นบวกสำหรับนิวเคลียสที่ยึดเหนี่ยวเมื่อเทียบกับอนุภาคที่แยกจากกัน นิวคลีออนไม่ได้หายไป แต่พลังงานนิ่งรวมของระบบยึดเหนี่ยวลดลง มวลจึงลดลงด้วย ลองนึกว่าแยกอนุภาคและป้อนพลังงานที่จำเป็น ระบบที่แยกแล้วจะมีมวลมากขึ้น คำว่า ‘พร่อง’ หมายถึงผลการเปรียบเทียบ ไม่ใช่สสารที่เสียหาย
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
หน่วยมวลขนาดเล็ก
มวลของนิวเคลียสแต่ละนิวเคลียสมีค่าน้อยมากเมื่อเขียนเป็นกิโลกรัม หน่วยมวลอะตอมเท่ากับหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมคาร์บอน-12 อิสระที่อยู่นิ่งในสถานะพื้น มีค่าประมาณ 1.66·10⁻²⁷ กิโลกรัม นี่คือหน่วยมวล ไม่ใช่จำนวนนิวคลีออน A เมื่อเปรียบเทียบมวลอะตอมกับมวลนิวเคลียสจากตาราง ต้องคำนึงถึงมวลอิเล็กตรอน การคำนวณส่วนพร่องมวลต้องเปรียบเทียบวัตถุชุดที่สอดคล้องกัน
หน่วยพลังงานขนาดเล็ก
พลังงานขนาดเล็กก็ควรใช้หน่วยที่สะดวก อิเล็กตรอนโวลต์คือพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับเมื่อถูกเร่งในสุญญากาศผ่านความต่างศักย์ 1 โวลต์ มีค่าประมาณ 1.6·10⁻¹⁹ จูล เมกะอิเล็กตรอนโวลต์คือหนึ่งล้านอิเล็กตรอนโวลต์ อนุภาคใช้ช่วยนิยามหน่วยเท่านั้น พลังงานนิวเคลียสและโฟตอนก็เขียนในหน่วยนี้ได้ โวลต์กับอิเล็กตรอนโวลต์ใช้แทนกันไม่ได้ หน่วยแรกวัดความต่างศักย์ หน่วยหลังวัดพลังงาน
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
เปรียบเทียบพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน
นิวเคลียสใหญ่โดยทั่วไปมีพลังงานยึดเหนี่ยวรวมมากกว่าเพราะมีอนุภาคมากกว่า หากต้องการเปรียบเทียบการยึดเหนี่ยวเฉลี่ย ให้นำ Eсв หารด้วย A ในฟิชชันที่ปล่อยพลังงาน อนุภาคสุดท้ายมีมวลรวมน้อยกว่า ผลต่างปรากฏเป็นพลังงานจลน์และรังสี อย่างไรก็ตาม พลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยเพียงอย่างเดียวทำนายเสถียรภาพต่อการสลายกัมมันตรังสีไม่ได้ ต้องพิจารณาการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่เกิดได้และเงื่อนไขด้านพลังงานด้วย
เกิดอะไรขึ้นในฟิชชัน
นิวเคลียสหนักบางชนิด เช่น ยูเรเนียม-235 อาจดูดกลืนนิวตรอนแล้วแยกเป็นชิ้นส่วนนิวเคลียสที่เบากว่า พร้อมปล่อยนิวตรอนใหม่และพลังงาน นี่คือฟิชชัน ไม่ใช่การปล่อยอนุภาคแอลฟาหรือบีตาหนึ่งตัว พลังงานถูกปล่อยเพราะอนุภาคสุดท้ายมีมวลรวมน้อยลง การแยกนิวเคลียสใด ๆ ไม่ได้รับประกันว่าจะปล่อยพลังงาน ต้องตรวจทิศทางของสมดุลพลังงาน
ปฏิกิริยาลูกโซ่จะดำเนินต่อหรือไม่
นิวตรอนจากฟิชชันหนึ่งครั้งอาจทำให้เกิดฟิชชันครั้งต่อไป ถ้าแต่ละเหตุการณ์ทำให้เกิดเหตุการณ์ถัดไปเฉลี่ยหนึ่งครั้ง ปฏิกิริยาจะดำรงอยู่ ถ้าน้อยกว่าหนึ่งจะค่อย ๆ ดับ ไม่ใช่นิวตรอนทุกตัวที่ต่อปฏิกิริยาได้ บางตัวออกจากวัสดุหรือถูกดูดกลืนโดยไม่เกิดฟิชชันที่ต้องการ จึงต้องพิจารณาสมดุล ไม่ใช่เพียงจำนวนนิวตรอนที่เกิด แบบจำลองเชิงคุณภาพนี้อธิบายการดำรงปฏิกิริยาได้โดยไม่สมมติว่านิวตรอนทุกตัวต้องพบนิวเคลียสถัดไป
สภาวะวิกฤต
สภาวะวิกฤตคือสภาวะที่การเกิดและการสูญเสียนิวตรอนทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ดำรงอยู่ได้ ดังนั้นมวลวิกฤตจึงไม่ใช่ค่าตายตัวที่ใช้ได้กับวัสดุทุกชิ้น แต่ยังขึ้นกับองค์ประกอบ รูปร่าง และการดูดกลืน การเปลี่ยนสิ่งรอบข้างเปลี่ยนการสูญเสียนิวตรอนได้แม้มวลเท่าเดิม จุดสำคัญคือเข้าใจว่าเงื่อนไขต่าง ๆ เกี่ยวข้องกันอย่างไร ไม่ใช่สรุปเพียงว่า ‘มีสสารมาก’ ก็เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่
การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์
เครื่องปฏิกรณ์ควบคุมจำนวนนิวตรอนที่ต่อปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ แท่งควบคุมดูดกลืนนิวตรอนบางส่วน สารหล่อเย็นนำความร้อนที่ปล่อยออกไป ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนช้า สารหน่วงนิวตรอนลดอัตราเร็วนิวตรอน ซึ่งเป็นหน้าที่ต่างจากการดูดกลืน วัสดุหนึ่งอาจทำหลายหน้าที่ แต่ต้องแยกบทบาททางฟิสิกส์ให้ชัด การควบคุมปฏิกิริยากับการระบายความร้อนทำงานสัมพันธ์กัน แต่ใช้แทนกันไม่ได้
จากนิวเคลียสสู่ไฟฟ้า
พลังงานฟิชชันเริ่มต้นเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของผลิตผลเป็นหลัก จากนั้นทำให้วัสดุและสารหล่อเย็นร้อนขึ้น วัฏจักรความร้อนขับกังหัน และเครื่องกำเนิดผลิตไฟฟ้า แม้ปฏิกิริยาลูกโซ่หลักหยุดแล้ว ผลิตผลฟิชชันยังสลายกัมมันตรังสีและปล่อยความร้อนตกค้าง ดังนั้นการหยุดปฏิกิริยาไม่ได้ทำให้ความร้อนหยุดทันที ยังต้องระบายความร้อน ใช้วัสดุกำบัง และจัดการสารกัมมันตรังสี
พลังงานยึดเหนี่ยวจากส่วนพร่องมวล
นิวเคลียสมีส่วนพร่องมวล 0.01 หน่วยมวลอะตอม จงหาพลังงานยึดเหนี่ยว โดยใช้ 1 а.е.м.·c² = 931,5 МэВ
ลองดูตัวอย่าง · 1
ส่วนพร่องมวลแสดงผลต่างระหว่างนิวคลีออนที่แยกกันกับนิวเคลียสยึดเหนี่ยว การแยกนิวเคลียสต้องป้อนพลังงาน Eсв = Δmc²
ลองดูตัวอย่าง · 2
ความสัมพันธ์ที่ให้มาแปลง а.е.м.·c² เป็น МэВ ได้โดยตรง: Eсв = 0,01 · 931,5 = 9,315 МэВ
ลองดูตัวอย่าง · 3
ผลบวกหมายถึงต้องใช้พลังงานเพื่อแยกอนุภาค ในกระบวนการย้อนกลับที่นิวคลีออนอิสระชุดเดิมยึดเหนี่ยวกัน พลังงานนี้เท่ากับการลดลงของพลังงานนิ่งของระบบ
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
ปฏิกิริยาฟิชชันและลูกโซ่
นิวเคลียสที่หนักสามารถแยกออกและปล่อยพลังงานและนิวตรอนออกมาซึ่งอาจทำให้เกิดฟิชชันใหม่ได้
ปฏิกิริยาที่ดำรงอยู่เองต้องมีสภาวะวิกฤต มวลวิกฤตไม่ได้ขึ้นกับปริมาณสสารเท่านั้น แต่ขึ้นกับรูปร่าง องค์ประกอบ และการสูญเสียนิวตรอนด้วย
ส่วนพร่องมวลและพลังงานยึดเหนี่ยว
นิวเคลียสยึดเหนี่ยวมีมวลน้อยกว่าผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระ ผลต่างนี้เทียบเท่าพลังงานยึดเหนี่ยว
พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนบอกความแน่นของการยึดเหนี่ยวเฉลี่ย ในปฏิกิริยาที่ปล่อยพลังงาน มวลรวมอนุภาคสุดท้ายน้อยกว่ามวลเริ่มต้น เสถียรภาพต่อการสลายกัมมันตรังสีพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยเพียงอย่างเดียวไม่ได้
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
อุปกรณ์จะรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมและขจัดความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในภายหลัง
พลังงานนิวเคลียร์ให้พลังงานจำนวนมากโดยปล่อยก๊าซคาร์บอนโดยตรงต่ำ แต่ต้องมีความปลอดภัยที่เข้มงวด การจัดการของเสีย และการป้องกันอุบัติเหตุ
ปริมาณทางฟิสิกส์
ส่วนพร่องมวล
\Delta mผลรวมมวลนิวคลีออนอิสระลบด้วยมวลนิวเคลียสยึดเหนี่ยว
หน่วย: หน่วยมวลอะตอม · \mathrm{а.е.м.}
พลังงานยึดเหนี่ยว
E_{\text{св}}พลังงานที่ต้องใช้เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนอิสระ
หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}
สูตรบทเรียน
พลังงานยึดเหนี่ยว
E_{\text{св}}=\Delta mc^2พลังงานยึดเหนี่ยวเท่ากับส่วนพร่องมวลคูณอัตราเร็วแสงยกกำลังสอง
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ