Branduolių dalijimasis, sintezė ir reakcijos energija
FizikaŽemė ir kosmosas
Branduolių persitvarkymas gali išlaisvinti energiją arba jos pareikalauti.
Esminės žinios
Skylant branduolys pasidalija į mažesnius produktus; vykstant sintezei branduoliai susijungia. Reakcijos Q = (Σm_initial − Σm_final)c² nusako išlaisvinamą rimties energiją: kai Q > 0, reakcija yra egzoterminė, o kai Q < 0, jai reikia suteikti energijos.
Vertės ir lygtys
Q = (Σm_initial − Σm_final)c²
Q
Reakcijos metu išlaisvinama rimties energija J
m_initial, m_final
Reakcijos dalyvių rimties masės pagal vienodą apskaitos tvarką kg
c
Šviesos greitis vakuume m s⁻¹
Sąlygos ir taikymo ribos
Įtraukite visus reakcijos dalyvius ir nuosekliai naudokite branduolių arba atomų mases.
Ne visos branduolių skilimo ir ne visos sintezės reakcijos yra egzoterminės; vien teigiama Q vertė nenusako reakcijos spartos ir neįveikia barjerų.
Šaltiniai · 2
Šaltiniai
Šaltiniai išlaiko savo taikymo ribas. Vien nuoroda nepatvirtina kiekvieno teiginio patikrinimo.
Samuel J. Ling, Jeff Sanny and William Moebs / OpenStax, Rice University2 šaltiniai
Skylant branduolys pasidalija į mažesnius produktus; vykstant sintezei branduoliai susijungia. Reakcijos Q = (Σm_initial − Σm_final)c² nusako išlaisvinamą rimties energiją: kai Q > 0, reakcija yra egzoterminė, o kai Q < 0, jai reikia suteikti energijos.
Changes in binding/rest energies determine the reaction Q under consistent mass accounting.
Pagrindinės sekos žvaigždžių branduoliuose vyksta vandenilio branduolių sintezė. Branduolyje senkant vandeniliui, keičiasi branduolio ir apvalkalo sandara, o tolesnė evoliucija labai priklauso nuo masės. Į Saulę panašios žvaigždės gali pereiti milžinių stadijas ir pradėti helio branduolių sintezę, o pakankamai masyvios žvaigždės pereina ir tolesnius branduolinio degimo etapus.
Stellar fuel stages involve fusion; this relation makes no claim that fission powers main-sequence stars.
Alfa skilimo kanalu (A,Z) virsta (A−4,Z−2) ir ⁴He. Teigiama Q suteikia santykinio judėjimo kinetinės energijos, tačiau neleidžia apeiti dukterinio branduolio ir alfa dalelės Kulono barjero. Išorinės s bangos modelyje V(r)=κ/r nepermatomo barjero pralaidumo koeficientas yra T≈exp[−2∫_R^(κ/Q)√(2μ(κ/r−Q))dr/ħ]; efektyvusis kanalo bandymų dažnis f duoda λ_α≈fT, taigi skilimo sparta eksponentiškai priklauso nuo barjero, taip pat priklauso nuo branduolio sandaros.
Consistent bare-nucleus channel mass accounting determines Q and relative exterior kinetic energy; it does not determine the rate.
Kai krintančiosios dalelės rimties masė yra m_a, o taikinio, kuris iš pradžių nejuda, masė yra m_A, impulso centro atskaitos sistemos energijos kvadratas yra E_cm²=(m_a+m_A)²c⁴+2m_Ac²K_a. Jei mažiausia leistina galutinės būsenos invariantinė masė yra M_f, endoterminiam kanalui reikia K_thr=[M_f²−(m_a+m_A)²]c²/(2m_A). Įvedus Q=(m_a+m_A−M_f)c², ši išraiška tampa −Q(1+m_a/m_A)+Q²/(2m_Ac²), ir tai parodo, kodėl slenkstinė energija laboratorinėje sistemoje paprastai viršija −Q.
The channel Q uses the same complete rest-mass difference; target recoil distinguishes laboratory threshold from −Q.
Branduolių skilimas gali išlaisvinti neutronus, sukeliančius tolesnius skilimus, o sugertis be skilimo ir nuotėkis pašalina neutronus iš grandinės. Fiksuotame tiesiniame kartų modelyje efektyvusis dauginimosi koeficientas k yra iš eilės einančių neutronų kartų tikėtinų gausų santykis: N_g=N₀k^g. Grandinė yra subkritinė, kai k<1, kritinė, kai k=1, ir superkritinė, kai k>1. Kritiškumas reiškia neutronų susidarymo ir praradimų balansą; tai nėra nuo geometrijos ir aplinkos nepriklausantis universalus medžiagos masės slenkstis.
Neutron-emitting fission can feed a next generation; consistent reaction energy does not alone establish net multiplication.
Retose neišsigimusiose dujose, kuriose reaguojantys branduoliai pasiskirstę nepriklausomai ir turi bendrą temperatūrą T, reakcijos įvykių skaičius tūrio ir laiko vienetui yra R_ab=n_an_b⟨σv⟩/(1+δ_ab), kur δ_ab=1, kai branduoliai yra tos pačios rūšies, ir 0 kitu atveju. Nereliatyvistinis Maksvelo santykinių greičių skirstinys duoda ⟨σv⟩=√[8/(πμ)](k_BT)⁻³ᐟ²∫₀∞σ(E)Eexp[−E/(k_BT)]dE, naudojant santykinio judėjimo energiją E=μv²/2. Vienodų rūšių daugiklis užtikrina, kad kiekviena pradinė pora būtų suskaičiuota vieną kartą.
A channel's Q controls rest-energy accounting while its rate requires actual cross sections and a specified reactant distribution.