Svar:
1. Av protoner och neutroner.

2. Massdefekt (Binding_energyMass_defect) är hur mycket en atoms massa (vi använder neutrala atomer för att definiera massa) avviker från massan för de ingående protonerna, neutronerna och elektronerna. Massdefekten anges oftast i u (atommassenhet).

Bindningsenergi (Binding_energy)
är detsamma som massdefekt men anges normalt i MeV. Bindningsenergin är positiv för de flesta kärnor - man vinner energi genom att sätta samman dem från beståndsdelarna. Nedanstående figur visar bindningenergin per nukleon för stabila eller nästan stabila kärnor. Se fråga [18682] för ett mer utförligt resonemang om bindningsenergi.

Massexcess (Binding_energyMass_excess)
är skillnaden mellan en atoms massa i atommassenheter och
masstalet A (som ju är antalet protoner + antalet neutroner). Om vi t.ex. har en kärna med 20 protoner och 20 neutroner (masstal 40), och atomen väger 39.9 massenheter, så är massdefekten -0.1. Massdefekten har egentligen inte någon enhet eftersom den är skillnaden mellan atommassa i u och ett dimensionslöst tal. Eftersom masstalet A bevaras i en kärnreaktion är detta inget problem - man kan räkna ut reaktionens Q-värde från massexcessen.

3. För lätta kärnor bör antalet protoner och neutroner vara ungefär lika. För tyngre kärnor är ett överskott av neutroner mer gynnsamt p.g.a. att protonerna repellerar varandra.

Uppsättningen protoner/neutoner kan för instbila kärnor ändras spontant med radioaktivt sönderfall, se fråga [17148].

Man kan även ändra uppsättningen med kärnreaktioner. En kärnreaktion är en fysikalisk process där en atomkärna, genom att reagera med en annan partikel, genomgår en förändring och bildar en eller flera produkter.. Exempel på kärnreaktioner är

¹H + ⁵⁸Ni --> ⁵⁹Cu + gammastrålning

¹n + ¹⁴N --> ¹⁴C + ¹H

Observera att i kärnreaktioner bevaras det totala antalet protoner och neutroner. Se vidare Nuclear_reaction.

Du kan läsa mer om dessa saker här: The ABC's of Nuclear Science.

/Peter Ekström 1999-10-11

Svar:
Annica! Det är inte så lätt att förklara med mellanstadieelevernas begreppsbild. För full förståelse behöver man t.ex. förstå ett begrepp som bindningsenergi.

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 för mer om vätskedroppsmodellen.

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:

d + ³H --> ⁴He + n

Bindningsenergierna (Nuclear_binding_energy) för de ingående kärnorna är enligt figuren nedan

²H: 21.1=2.2 MeV

³H: 32.8=8.4 MeV

⁴He: 47.0=28.0 Mev

n: 0 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_formulaExamples_for_consequences_of_the_formula. Även massparablerna (fråga [13758]) förklaras bra av massformeln.

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 2006-09-27

Svar:
Sven! Vi måste för det första skilja på spontan fission (som är en typ av radioaktivt sönderfall) och neutroninducerad fission (som är en kärnreaktion).

Neutroninducerad fission är vad som driver en kärnreaktor: en neutron infångas av en U-235 kärna och bildar U-236. Det är korrekt det du säger att U-236 är en relativt stabil kärna (halveringstid på miljontals år, se länk 1). Men U-236 kärnan är inte i sitt grundtillstånd när U-235 just har fångat in en neutron. I länk 1 kan vi se att separationsenergin för en neutron i U-236 är 6545 keV. Det betyder att om en långsam neutron fångas in av en U-235 kärna, så hamnar vi i tillstånd 6545 keV över grundtillståndet i U-236.

Nedanstående figur visar energin som funktion av avståndet mellan två lika delar i urankärnan. Vi ser för det första att grundtillståndet ligger c:a 200 MeV över energin vi har om vi separerar halvorna. Detta är alltså den energi som frigörs i fissionsprocessen. Vi ser också att det omedelbart till höger om grundtillståndet fins en barriär som hindrar fission från grundtillståndet (se emellertid nedan).

Om vi däremot kommer in med tillräckligt hög excitationsenergi till ett tillstånd över fissionsbarriären (markerad U-236) kan fissionen ske utan hinder.

Vi kan även med denna modell förklara varför U-238 inte är klyvbart med långsamma neutroner. Separationsenergin för en neutron för U-239 är 4806 keV, dvs betydligt lägre än för U-236. Följaktligen kommer man i U-239 hamna under fissionsbarriärn, och det är liten sannolikhet för fission.

För Pu-240 är separationsenergin 6533 keV, varför även Pu-239 är klyvbart med termiska neutroner.

Anledningen till denna skillnad på nära 2 MeV i separationsenergi är att U-236 och Pu-240 innehåller ett jämnt antal neutroner medan U-239 innehåller ett udda antal. Den sista neutronen i U-239 saknar då parenergin, som är en extra bindning för ett par av identiska nukleoner.

För tunga kärnor finns det trots fissionsbarriären en viss sannolikhet för fission även från grundtillståndet. Kärnan kan med en liten sannolikhet "tunnla" igenom barriären på liknande sätt som sker för alfasönderfall, se tunneleffekt. Denna process kallas spontan fission.

Se även fråga [14621], Nuclear_fission och Spontaneous_fission.

/fa

/Peter E 2010-03-08