Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning 5 frågor/svar hittade Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20592] Ursprunglig fråga: Svar: Anledningen till att lätta kärnor har mindre bindningsenergi är att dessa har relativt mer "yta", dvs nukleoner på ytan har färre grannar att växelverka med. Anledningen till att bindningsenergin per nukleon minskar med ökande A är att coulomb-repulsionen ger negativ bindning. Till skillnad från kärnkraften har coulomb-kraften lång räckvidd, så antalet växelverkningar är proportionellt mot Z(Z-1) där Z är antalet protoner. Nyckelord: bindningsenergi [23]; vätskedroppsmodellen [5]; Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19206] Ursprunglig fråga: Svar: Genom att derivera uttrycket för bindningsenergin i massformlen (Semi-empirical_mass_formula#The_formula Jämförelse mellan beräknad och verklig stabilitetslinje Tabellen ovan visar för några masstal A (kolumn 1) det med nedanstående uttryck uträknade optimala värdet på Z (kolumn 2) och motsvarande neutrontal N. Fjärde kolumnen visar stabila kärnor för respektive masstal. Som synes stämmer denna relativt enkla modell förvånansvärt bra! Exempel på räkning för A=60 Nyckelord: bindningsenergi [23]; vätskedroppsmodellen [5]; 1 http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy300w/np/ch1/node23.html Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19103] Mvh Johanna
Svar: Stabiliteten (maximal bindningsenergi) kan uppskattas mycket väl med vätskedroppsmodellen som är en modell där man betraktar en atomkärna som en droppe av en icke sammantryckbar "vätska" bestående av nukleoner sammanhållna av starka växelverkanskraften med kort räckvidd, se massformeln Semi-empirical_mass_formula Nedanstående bild illustrerar O-16 (8 protoner och 8 neutroner) och C-16 (6 protoner och 10 neutroner. För enkelhets skull antar vi att varje nivå tar två nukleoner (spinn-up och spinn-ner) och att avståndet mellan tillstånden är konstant). Vi ser att en jämnare fördelning av nukleoner (O-16) har mer bindningsenergi än den ojämna i C-16. O-16 är alltså stabilare. Tendensen att kärnor föredrar lika många neutroner som protoner reflekteras i massformels asymmetriterm aA (N-Z)2/A För tyngre kärnor förskjuts tendensen mot att de stabilaste kärnorna har fler neutroner än protoner. Anledningen till detta är Coulomb-repulsionen (lång räckvidd) som reflekteras i Coulomb-termen aC Z(Z-1)/A1/3 Denna relativt enkla massformel Semi-empirical_mass_formula#The_formula På detaljnivå (hacken i kurvan i fråga 14847 Nyckelord: bindningsenergi [23]; vätskedroppsmodellen [5]; 1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/liqdrop.html#c2 Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14847] Ursprunglig fråga: Svar: Det enklaste svaret är bara beskrivande: fusion är när man slår ihop lätta kärnor och fission är när man klyver tunga kärnor. Båda dessa processer ger energi (värme), så de kan användas t.ex. för att producera elektricitet. Fissionsenergi är väl etablerat i praktiken i kärnkraftverk. Man klyver urankärnor genom att bombardera dem med neutroner. Eftersom det produceras 2-3 neutroner i varje fissionsprocess, går det att åstadkomma en kedjereaktion som kan underhållas kontinuerligt. Fusionsenergi är däremot än så länge bara ett framtidshopp. Som en illustration till svårigheterna kan jag berätta att när jag började studera kärnfysik för drygt 30 år sedan så sade man att det kommer att ta 30 år att realisera en energiproducerande fusionsreaktor. I dag är uppskattningen: kanske om 50 år! Detta visar om inget annat hur svårt problemet är. Anledningen till att kontrollerad fusion är så svår är att man försöker slå ihop två atomkärnor som är positivt laddade. Lika laddningar repellerar varandra, så för att kärnorna skall komma tillräckligt nära varandra så måste de skjutas mot varandra med hög hastighet. Hög hastighet hos atomerna i en gas betyder hög temperatur - flera miljoner grader. Man behöver kunna hålla ihop gasen och hindra den att expandera. Detta kan man göra med magnetfält, men det återstår ännu många problem att lösa. Nästa generation av försöksanläggning ITER, som är ett globalt samarbetsprojekt, håller på att byggas i Frankrike, se ITER Fusion sker i alla stjärnor, inklusive solen, så solenergi och vindenergi är i princip fusionsenergi från en naturlig fusionsreaktor i solens centrum. Låt oss se om vi kan förstå varför man kan utvinna energi både genom att slå samman lätta kärnor och att klyva tunga kärnor. Atomkärnan består av positivt laddade protoner (vätekärnor) och neutrala neutroner. Protoner och neutroner kallas med ett gemensamt namn för nukleoner. Antalet nukleoner kallas masstal och betecknas med A. Antal protoner i en kärna kallas atomnummer och betecknas med Z. Det är atomnumret som bestämmer vilket grundämne man har att göra med. Protonerna repellerar visserligen varandra, men det finns attraherande krafter mellan nukleonerna som är starkare är repulsionen. Nukleonerna kommer därför att bindas samman och ha vad vi kallar en bindningsenergi. Man kan förstå förvånansvärt mycket av atomkärnors egenskaper genom en mycket enkel modell: vätskedroppsmodellen. Man betraktar atomkärnan som en vätskedroppe - t.ex. en vattendroppe - så att nukleonerna motsvarar vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i en vattendroppe binds samman genom krafter mellan närliggande molekyler, dvs den attraktiva kraften har kort räckvidd. Molekylerna i en vattendroppe har också en bindningsenergi - man måste tillföra energi för att "koka bort" molekyler. Se Semi-empirical_mass_formula Bindningsenergin per nukleon visas i nedanstående figur. Grovt kan man säga att bindningsenergin för de flesta kärnor är c:a 8-9 MeV per nukleon. För lätta kärnor är bindningsenergin lägre, och den minskar även för mycket tunga kärnor. De mest stabila kärnorna - högst bindningsenergi - finns omkring masstalet 60, dvs järn och nickel. Den lägre bindningsenergin för lätta kärnor förklaras av att små kärnor har relativt mycket "yta". Nukleonerna på ytan har inga grannar "utåt", så bindningen blir mindre. Det är denna effekt som orsakar ytspänning i en vattendroppe, se ytspänning Nedgången i bindningsenergi för tunga kärnor beror på repulsionen mellan protonerna. Coulomb-repulsionen har lång räckvidd till skillnad från attraktionskraften mellan nukleonerna som har kort räckvidd. Detta betyder att bindningen går som masstalet A och repulsionen som Z(Z-1)/2 där Z är kärnladdningen (antal protoner). För kärnor med många protoner kommer därför coulomb-repulsionen att bli större och därmed bindningsenergin att minska. Låt oss titta lite på energiförhållandena för fission och fusion. Om vi delar en urankärna med A c:a 240 hamnar vi omkring A=120. Bindningsenergin per nukleon är 7.5 vid A=240 och 8.4 vid A=120 (se figuren nedan). Vi vinner alltså en bindningsenergi på c:a (8.4-7.5)*240=216 MeV. Detta är ett mycket högt värde för en kärnreaktion, och är anledningen till att det går att utvinna så mycket energi genom fission av tunga kärnor. Kvalitativt kan man även förstå fissionsprocessen med vätskedroppsmodellen: en inkommande neutron sätter urankärnan i svängning. Om deformationen har tillräckligt stor amplitud, kommer coulomb-repulsionen att ta överhanden och kärnan kan delas i två delar. Den mest effektiva fusionsreaktionen är att slå ihop deuterium med tritium: Bindningsenergierna (Nuclear_binding_energy 2H: 2*1.1=2.2 MeV Differensen i bindningsenergi blir alltså 28.0-(2.2+8.4)=17.4 MeV. Som synes är anledningen till den stora frigjorda energin att 4He-kärnan (alfapartikeln) är mycket stabil. Detta är det enda man inte kan förstå med den enkla vätskedroppsmodellen - för att förstå detta behöver man kvantmekanik. Vätskedroppsmodellen kan även förklara vilken kärna för ett giver masstal är stabilast, se Semi-empirical_mass_formula#Examples_for_consequences_of_the_formula Hoppas du kan använda en något av ovanstående utan alltför mycket fågelholksreaktion. Mer om ämnet finns under nedanstående länkar (på engelska): länk 1 är mer om bindningsenergi och länk 2 om kärnenergi. ![]() /Peter E Nyckelord: bindningsenergi [23]; fusion [17]; fission [15]; kärnenergi [19]; vätskedroppsmodellen [5]; kärnreaktion [5]; 1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html * Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13758] Fråga:Stabila atomkärnor /Veckans fråga Ursprunglig fråga: Svar: Om man plottar bindningsenergin för kärnor med ett visst masstal A=Z+N (Z är antal protoner och N antal neutroner) så får man en (för udda masstal) eller två (för jämna masstal) parabler. Nedanstående figurer (genererade från uppmätta massdata med programmet i länk 1) för A = 113 och 114 är typiska exempel. Från den översta plotten kan man dra slutsatsen att 113In är stabilt (har högst bindningsenergi), 113Mo - 113Cd sönderfaller med b--sönderfall och 113Sn - 113Cs sönderfaller med b+-sönderfall. För det jämna masstalet 114 kan man resonera på motsvarande sätt med skillnaden att man här har två parabler: en jämn-jämna kärnor (röda streck) en en udda-udda kärnor (svarta steck). Det paraboliska sambandet mellan bindningsenergier för ett visst masstal kan man förstå från vätskedroppsmodellen (fråga 14847 Några stabila kärnor (typiskt kärnor med jämnt antal protoner och jämnt antal neutroner) skulle teoretiskt kunna sönderfalla med s.k. dubbelt b-sönderfall (t.ex. 114Cd i figuren). Dessa kärnor har emellertid en halveringstid överstigande 1020 år, vilket jämfört med universums ålder 13.7*109 år kan ansers vara stabilt! För varje masstal finns alltså en eller möjligen två kärnor som är stabila med ovanstående definition. Till detta kommer för tunga kärnor (A>200) alfasönderfall Det är, tycker jag, intressant att man kan förstå såpass detaljerade egenskaper som den relativa bindningsenergin och därmed vilka kärnor som är stabila och hur de instabila kärnorna söderfaller med en såpass enkel modell som vätskedroppsmodellen. För att beräkna exakta sönderfallsenergier och exciterade tillstånd i atomkärnor behöver man emellertid tillämpa mer sofistikerade kvantmekaniska modeller, se Shell_model ![]() /Peter E Nyckelord: radioaktivt sönderfall [38]; betasönderfall [15]; vätskedroppsmodellen [5]; halveringstid/sönderfallskonstant [5]; *
Frågelådan innehåller 7624 frågor med svar. ** Frågelådan är stängd för nya frågor tills vidare **
|
Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar.