Fusão e fissão nucleares
| English | Português |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | fusão nuclear |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | fissão nuclear |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | energia cinética |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | eletrostático |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | força nuclear forte |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | reação em cadeia |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | massa crítica |
Dois processos opostos, uma regra
- Juntar dois núcleos minúsculos libera energia. Dividir um núcleo enorme libera energia. Parecem afirmações contraditórias.
- Não são, porque ambos são o mesmo movimento: subir a curva de energia de ligação por nucleon em direção ao seu pico.
- Um núcleo já sentado no pico, o ferro-56, não pode liberar energia por nenhum processo. É onde a fusão de uma estrela para.
- Esta lição é fusão nuclear 核聚变, fissão nuclear 核裂变, e como calcular o que elas liberam.
Ambas as setas apontam para o ferro
Por que mover-se em direção ao pico libera energia
- Na curva, uma posição mais alta significa que cada nucleon está mais fortemente ligado.
- Em ambos os processos os produtos ficam mais altos do que os reagentes, então a energia de ligação total aumenta.
- Essa energia de ligação extra é liberada, como energia cinética dos produtos e fótons.
- Equivalentemente, a massa total dos produtos é menor do que a dos reagentes, exatamente em $\Delta E/c^2$. São duas descrições de um evento, e uma resposta quer ambas.
Reação em cadeia de fissão nuclear
Um nêutron divide um núcleo pesado, liberando energia e mais nêutrons — que dividem mais núcleos.
Energia é liberada quando núcleos movem-se:
Subir a curva B/A em direção ao ferro significa que os produtos são mais fortemente ligados, então energia é liberada.
Coloque a explicação de por que tanto fusão quanto fissão liberam energia em ordem.
A perda de massa e o ganho de energia de ligação são o mesmo evento descrito de duas formas, e uma resposta completa menciona ambas.
Um núcleo de ferro-56 pode liberar energia tanto por fusão quanto por fissão.
Ele está no pico, então qualquer movimento o leva PARA BAIXO na curva e exigiria energia sendo inserida. É por isso que a fusão dentro de uma estrela para no ferro.
Fusão
- Fusão une dois núcleos leves em um núcleo mais pesado:
- O produto tem maior energia de ligação por nucleon do que os reagentes, então energia sai. Isso é o que alimenta todas as estrelas.
- Precisa de milhões de kelvin, e a razão é específica: os núcleos são ambos positivos, então devem ter suficiente energia cinética 动能 para vencer sua repulsão eletrostática 静电 e se aproximar o suficiente para que a força nuclear forte 强核力 assuma o controle.
- "Precisa de alta temperatura" sozinho é metade de uma resposta. Nomeie a repulsão sendo superada e a força que assume o controle.
A fusão precisa de temperaturas muito altas para superar a repulsão eletrostática entre núcleos.
Os núcleos devem chegar próximos o suficiente para a força forte atuar, apesar de se repelirem — daí os milhões de kelvins nas estrelas.
Por que a fusão precisa de milhões de kelvins? Selecione todas as opções.
"Precisa de alta temperatura" é meia resposta. Nomeie a repulsão eletrostática sendo superada e a força nuclear forte assumindo o controle.
Fissão
- Fissão divide um núcleo pesado em dois mais leves, geralmente após absorver um nêutron:
- Os produtos ficam mais altos na curva do que o urânio-235, então energia é liberada.
- Os nêutrons extras podem desencadear novas fissões: uma reação em cadeia 链式反应, que se sustenta apenas em uma massa de combustível suficientemente grande, a massa crítica 临界质量.
- Abaixo da massa crítica, muitos nêutrons escapam da superfície antes de encontrar um núcleo, e a reação morre.
Um nêutron entra, três saem
Os nêutrons extras liberados na fissão podem desencadear uma reação de ____.
Cada fissão libera nêutrons que causam mais fissões — uma reação em cadeia em uma massa crítica de combustível.
Uma reação em cadeia sustentada precisa de uma massa crítica de combustível.
Abaixo da massa crítica, muitos nêutrons escapam e a reação morre.
O contraste marcado
- Fissão: um núcleo pesado, grande $A$, divide-se em dois núcleos mais leves de massas aproximadamente semelhantes, geralmente após absorver um nêutron, e libera nêutrons adicionais.
- Fusão: dois núcleos leves, pequeno $A$, se unem em um núcleo mais pesado, e precisa de temperatura e pressão muito altas para vencer a repulsão eletrostática.
- Ambas liberam energia, mas por quilograma de combustível, a fusão libera mais.
- Escreva o contraste em pares parelhos: pesado contra leve, divide contra une, absorve um nêutron contra precisa de alta temperatura. Uma lista de fatos sobre apenas um deles vale metade da nota.
Combine cada processo com o que ele faz.
Ambos se movem em direção ao pico do ferro, então ambos podem liberar energia.
Combine cada característica com o processo que ela descreve.
Escreva o contraste em pares combinados. Uma lista de fatos sobre apenas um processo coleta metade das notas.
Exemplo resolvido: energia de uma mudança de massa
- Em uma reação nuclear a massa total diminui em $0.020\ \text{u}$. Encontre a energia liberada.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- A receita é sempre os mesmos quatro passos: massa total dos reagentes, massa total dos produtos, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, então $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Um $\Delta m$ positivo significa que energia é liberada. Se você obtiver uma resposta negativa, subtraiu ao contrário, não descobriu uma reação que absorve energia.
Uma reação tem uma mudança de massa de $0.020\ \text{u}$. Quanto de energia é liberada, em MeV?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Exemplo resolvido: fundir dois núcleos de deutério
- O defeito de massa de $^{2}_{1}\text{H}$ é $0.002388\ \text{u}$ e o de $^{4}_{2}\text{He}$ é $0.030377\ \text{u}$. Encontre a energia liberada quando dois núcleos de deutério fundem em um único núcleo de hélio-4.
- Trabalhe com energias de ligação, já que defeitos de massa são fornecidos. Antes: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ de defeito. Depois: $0.030377\ \text{u}$.
- O defeito aumentou em $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, e um aumento no defeito de massa é energia liberada.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Note a forma dele: você pode trabalhar tanto das massas dos núcleos quanto de seus defeitos de massa, mas nunca misture os dois em uma única soma.
Dois núcleos de deutério (defeito de massa 0.002388 u cada) fundem-se em hélio-4 (defeito de massa 0.030377 u). Quanto de energia é liberada, em MeV? (931 MeV por u.)
O defeito de massa aumenta em 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, e um aumento no defeito é energia liberada: 23.8 MeV. Calcule usando massas OU defeitos, nunca uma mistura.
Marcas que escapam
- Explicar a liberação de energia exige a curva: os produtos estão mais altos, então a energia de ligação total aumenta e a massa é perdida.
- Para fusão, nomeie para que serve a temperatura: vencer a repulsão eletrostática para que a força nuclear forte possa atuar.
- Uma reação em cadeia precisa de uma massa crítica, caso contrário muitos nêutrons escapam.
- Fissão geralmente absorve um nêutron primeiro e libera mais. Diga quantos se a equação os mostrar.
- Ferro-56 não libera energia por nenhum processo. Esse é um fato que vale uma nota, e é a razão pela qual a fusão estelar para ali.
Entendeu?
- energia é liberada sempre que núcleos se movem em direção ao pico de ferro, porque os produtos estão mais fortemente ligados e a massa total cai em $\Delta E/c^2$
- fusão une dois núcleos leves e precisa de milhões de kelvin para que os núcleos superem sua repulsão eletrostática e permitam que a força nuclear forte atue
- fissão divide um núcleo pesado após absorver um nêutron, liberando mais nêutrons que podem sustentar uma reação em cadeia acima da massa crítica
- para encontrar a energia: massa total de reagentes, massa total de produtos, $\Delta m$, então $\Delta E = c^2\Delta m$, ou $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ em MeV