Kärnreaktioner, bindningsenergi & massa–energi

Atomkärnans massa och energi hänger samman. När nukleoner binds i en kärna förändras systemets energi, vilket syns som en massdefekt. Det är grunden för energiutvecklingen i både fission och fusion.

Nivå 1b

Förstå → Se exempel → Träna

Förstå

Bindningsenergi

Bindningsenergin är den energi som måste tillföras för att separera en kärna helt i fria protoner och neutroner. Bindningsenergi per nukleon används för att jämföra hur starkt olika kärnor är bundna.

Massdefekt

En kärnas massa är mindre än summan av massorna hos motsvarande fria nukleoner. Skillnaden Δm motsvarar bindningsenergin genom E = Δmc².

Fission

Vid fission delas en tung kärna i lättare kärnor och ofta fria neutroner. Om produkterna har större bindningsenergi per nukleon frigörs energi. Neutroner kan i vissa material skapa en kedjereaktion.

Fusion

Vid fusion förenas lätta kärnor till tyngre. För lätta kärnor kan produkten vara mer starkt bunden och energi frigörs. I stjärnor krävs höga temperaturer och tätheter för att kärnor ska komma tillräckligt nära för fusion.

Bindningsenergikurvan

Bindningsenergi per nukleon ökar från mycket lätta kärnor mot järnområdet och minskar sedan långsamt för mycket tunga kärnor. Det är den övergripande formen på denna kurva som förklarar varför fusion kan frigöra energi för lätta kärnor och fission för tunga kärnor: produkterna rör sig mot mer starkt bundna tillstånd.

Exempel

Exempel: energi från solen

I solens kärna omvandlas väte genom en reaktionskedja till helium.
Den totala vilomassan hos slutprodukterna är något mindre än hos utgångspartiklarna.
Masskillnaden omvandlas till andra energiformer enligt E = Δmc².
Energin transporteras genom solen och lämnar till sist huvudsakligen som elektromagnetisk strålning och partiklar.

Så gör du

1Skriv kärnreaktionen och kontrollera bevarande av laddning och nukleontal.
2Bestäm total massa före och efter reaktionen med samma enheter.
3Beräkna massdefekten Δm.
4Omvandla massdefekten till energi med E = Δmc² eller lämplig kärnfysikalisk energienhet.
5Kontrollera att tecknet stämmer: mindre slutmassa motsvarar frigjord energi.