Kehilangan massa dan energi ikat inti
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| energy/ˈenədʒi/ | tenaga |
| nucleus/ˈnjuːklɪəs/ | inti sel |
| mass-energy equivalence/mæs ˈenədʒi ɪˈkwɪvələns/ | ekuivalensi massa-energi |
| mass defect/mæs ˈdiːfekt/ | kehilangan massa |
| binding energy/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi/ | energi ikat |
| luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ | luminositas |
| nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ | reaksi nuklir |
| nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ | nomor nukleon |
| conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ | kekekalan muatan |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | positron |
| neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ | neutrino |
| protons/ˈprəʊtɒnz/ | proton |
| neutrons/ˈnjuːtrɒnz/ | neutron |
| binding energy per nucleon/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi pɜː ˈnjuːklɪən/ | energi ikat per nukleon |
Matahi empat juta ton lebih ringan daripada detik lalu
- Setiap detik Matahi memancarkan $3.8\times10^{26}\ \text{J}$, dan setiap detik ia menjadi sekitar empat juta ton lebih ringan.
- Tidak ada yang bocor darinya. Massa telah berubah menjadi energi, dengan tingkat tukar $E = mc^2$.
- Pada skala nuklir, pertukaran yang sama menjelaskan mengapa inti memiliki massa lebih sedikit daripada bagian-bagian penyusunnya, dan dari mana energi reaktor berasal.
- Pelajaran ini adalah ekuivalensi massa-energi, defek massa dan energi pengikat.
Massa dan energi adalah mata uang yang sama
- $E = mc^2$, dengan $c = 3.00\times10^{8}\ \text{m/s}$. Untuk perubahan massa:
- Dalam fisika nuklir perubahan massanya kecil dan $c^2$ sangat besar, sehingga perubahan massa kecil adalah energi yang besar.
- Hafalkan konversinya, karena hampir setiap soal menggunakannya:
Satu kuantitas, dua satuan
Hubungan massa-energi adalah:
Massa dan energi setara: $E = mc^{2}$, sehingga perubahan massa $\Delta m$ melepaskan $c^{2}\Delta m$.
Perubahan massa sebesar $1\ \text{u}$ setara dengan berapa banyak MeV?
$1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ menghasilkan $\Delta E = c^{2}\Delta m \approx 931\ \text{MeV}$.
Contoh dikerjakan: menimbang keluaran bintang
- Sirius kehilangan massa melalui fusi sebesar $1.09\times10^{11}\ \text{kg/s}$. Temukan daya yang dipancarkannya.
- $P = c^2 \times (\text{mass lost per second}) = (3.00\times10^{8})^2(1.09\times10^{11}) = 9.8\times10^{27}\ \text{W}$.
- Itu adalah luminositas-nya, dan sekitar $26$ kali luminositas Matahi $3.8\times10^{26}\ \text{W}$.
- Perhitungan yang sama ke arah sebaliknya: pembangkit listrik $1\ \text{GW}$ yang berjalan selama satu tahun mengonversi $E/c^2 = 3.2\times10^{16}/9.0\times10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ massa. Itulah sebabnya bahan bakar bekas beratnya hampir sama persis dengan saat masuk.
Persamaan nuklir seimbang dua kali
- Reaksi nuklir melestarikan nomor nukleon (angka atas) dan muatan (angka bawah), yaitu pelestarian muatan:
- Peluruhan Alpha: $A$ turun $4$, $Z$ turun $2$. Beta-minus: neutron menjadi proton, sehingga $A$ tetap tak berubah dan $Z$ naik $1$, dengan elektron dan antineutrino.
- Beta-plus: proton menjadi neutron, $Z$ turun $1$, memancarkan positron dan neutrino. Gamma tidak mengubah kedua angka.
- Neutrino ada dalam kunci jawaban. Melewatkannya dari persamaan beta mengurangi nilai setiap kali.
Dalam peluruhan alfa, nomor nukleon turun sebanyak 4 dan nomor proton turun sebanyak ____.
Partikel alfa adalah inti helium-4, 2 proton dan 2 neutron. Beta-minus meninggalkan A tetap dan meningkatkan Z sebesar 1, dan antineutrino juga harus ditulis.
Defek massa dan energi pengikat
- Sebuah inti memiliki massa lebih sedikit daripada proton dan neutron terpisahnya. Perbedaan itu adalah defek massa:
- Defek massa adalah perbedaan antara total massa nukleon terpisah dan massa inti.
- Energi pengikat adalah energi minimum yang diperlukan untuk memisahkan inti menjadi nukleon individu, dan $B = \Delta m\, c^2$.
- Kata "nukleon yang terpisah" atau "proton dan neutron tunggal". "Energi yang mengikat inti bersama" tidak mendapat skor apa pun.
- Energi ikat dilepaskan saat inti terbentuk, bukan disimpan di dalamnya. Inti memiliki energi lebih sedikit daripada bagian-bagiannya, dan inilah alasan mengapa inti tetap utuh.
Susunlah, dan massa akan hilang
Inti memiliki ____ massa daripada proton dan neutron terpisah yang dijumlahkan.
Massa yang hilang (kehilangan massa) itu dilepaskan sebagai energi ketika inti terbentuk.
Energi ikat adalah energi yang diperlukan untuk memisahkan inti sepenuhnya.
$B = \Delta m\,c^{2}$ — energi yang dilepaskan saat pembentukan inti, yang harus dikembalikan untuk memisahkannya.
Cocokkan setiap istilah dengan definisi yang ditandai oleh penguji.
"Energi yang mengikat inti bersama" tidak mendapat nilai. Frasa yang dinilai adalah memisahkannya menjadi nukleon individu.
Contoh terpecahkan: helium-4
- Inti helium-4 memiliki cacat massa $0.0304\ \text{u}$. Temukan energi ikatnya.
- $B = 0.0304 \times 931 = 28\ \text{MeV}$.
- Per nukleon yang $28/4 = 7.1\ \text{MeV}$, sudah tinggi untuk inti ringan seperti ini, itulah sebabnya helium-4 muncul sebagai puncak pada kurva.
- Energi ikat per nukleon adalah $B/A$, dan ini merupakan cara yang adil untuk membandingkan dua nuksida dengan ukuran sangat berbeda.
Contoh terpecahkan: polonium-212
- Proton $1.007276\ \text{u}$, neutron $1.008665\ \text{u}$, $^{212}_{84}\text{Po}$ inti $211.9454\ \text{u}$. Temukan cacat massa dan energi ikat per nukleon.
- $Z = 84$ proton dan $N = 212 - 84 = 128$ neutron: $84(1.007276) + 128(1.008665) = 213.7203\ \text{u}$.
- $\Delta m = 213.7203 - 211.9454 = 1.7749\ \text{u}$.
- $B = 1.7749 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, sehingga $B/A = 1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$ per nukleon, pada bagian menurun dari kurva.
- Jaga semua tempat desimal hingga pengurangan. Cacat massa adalah selisih kecil antara dua angka besar, dan pembulatan dini akan menghancurkannya.
Polonium-212 memiliki kehilangan massa 1.7749 u. Berapakah energi ikat per nukleonnya, dalam MeV? (Gunakan 931.5 MeV per u.)
B = 1.7749 x 931.5 = 1653 MeV, lalu bagi dengan A = 212 untuk mendapatkan 7.80 MeV per nukleon, di sisi menurun kurva.
Kurva tempat segala sesuatu bergantung
- Plot $B/A$ terhadap $A$ dan Anda akan mendapatkan bentuk kubah: kenaikan curam untuk inti ringan, maksimum dekat $A = 56$ (besi) sekitar $8.8\ \text{MeV}$, lalu penurunan lambat ke sekitar $7.5\ \text{MeV}$ pada uranium.
- Besi-56 adalah inti paling stabil, dan semua lainnya dapat melepaskan energi dengan bergerak menujunya.
- Aturan menggambar nilai ujian: jangan mulai dari titik asal, jangan buat penurunan securam kenaikan, dan jangan biarkan kurva mencapai nol di sebelah kanan.
- Tandai inti yang meluruh alfa di ujung kanan ($A > 200$), dan satu yang berfusi di ujung kiri ($A < 10$). Keduanya berada rendah dan keduanya bergerak naik sepanjang kurva saat bereaksi.
Semua naik menuju besi
Laboratorium energi kehilangan massa
E = delta m c^2
Ubah kehilangan massa dan lihat energi ikat meningkat dengan E = mc^2.
Energi ikat per nukleon terbesar untuk:
Besi ($A \approx 56$) berada di puncak — inti yang terikat paling kuat, paling stabil.
Manakah yang benar mengenai kurva energi ikat per nukleon? Pilih semua yang berlaku.
Menurun hanya hingga sekitar 7.5 MeV pada uranium. Menggambar kembali turun hingga nol adalah kesalahan bernilai, begitu pula memulai kurva tepat di titik asal.
Sketsa kurva: uraikan fitur-fiturnya dari kiri ke kanan.
Inti yang menggabungkan ditandai di sebelah kiri paling jauh dan pengemisi alfa di sebelah kanan paling jauh. Keduanya rendah pada kurva dan keduanya naik padanya saat bereaksi.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Energi ikat adalah energi untuk memisahkan inti menjadi nukleon-nukleon terpisah, bukan "energi yang mengikatnya bersama".
- Jaga presensi penuh hingga Anda melakukan pengurangan. Cacat massa adalah selisih kecil dari angka-angka besar.
- $1\ \text{u} \leftrightarrow 931\ \text{MeV}$ hanya berlaku ketika $\Delta m$ dalam u. Dalam kilogram Anda harus menggunakan $c^2$ dan Anda akan mendapatkan joule.
- Seimbangkan kedua garis persamaan nuklir, dan sertakan neutrino dalam peluruhan beta.
- Inti lebih ringan daripada bagian-bagiannya. Menulis cacat massa secara terbalik membuat energi ikat negatif.
Anda telah memahaminya
- $\Delta E = c^2 \Delta m$, dan $1\ \text{u} \leftrightarrow 931\ \text{MeV}$ adalah konversi yang hampir setiap soal butuhkan
- sebuah persamaan nuklir mengawetkan nomor nukleon dan muatan, dan peluruhan beta memancarkan neutrino atau antineutrino
- cacat massa adalah massa nukleon-nukleon terpisah dikurangi massa inti, dan energi ikat $B = \Delta m c^2$ adalah energi minimum untuk memisahkannya menjadi nukleon individu
- energi ikat per nukleon memuncak di dekat besi-56 sekitar $8.8\ \text{MeV}$, sehingga inti ringan yang berfusi dan inti berat yang membelah keduanya menaiki kurva