Почему при синтезе и делении выделяется энергия?

У меня есть только школьные знания физики, но вот мое понимание:

Слияние: 2 атома объединяются, чтобы сформировать новый атом. Этот процесс высвобождает энергию, удерживающую их друг от друга, и является очень энергичным. Как солнце!

Деление: что-то быстрое (например, электрон) врезается в атом, разбивая его на части. Каким-то образом это также высвобождает энергию. Меньше энергии, чем у синтеза, и это похоже на ядерный реактор.

Теперь я понимаю, что самое низкое энергетическое состояние — это когда все плотно склеено (как при слиянии), и требуется энергия, чтобы разъединить их.

Итак... почему и синтез, и деление высвобождают энергию?

Между прочим: деление происходит не только при столкновении чего-то быстрого с ядром. Это также может произойти, когда один медленный нейтрон сливается с ядром.
Я действительно хотел бы увидеть ответ с точки зрения энтропии. Как изменяется энтропия системы при делении или слиянии и почему это зависит от размера ядра?
Я удалил некоторые комментарии, которые отвечали на вопрос. Пожалуйста, имейте в виду, что комментарии должны использоваться для предложения улучшений и запроса разъяснений по их родительскому сообщению (т.е. вопросу), а не для ответа.

Ответы (11)

В общем, как синтез, так и деление могут либо требовать энергии , либо выделять ее .

Чисто классическая модель

Нуклоны связаны друг с другом сильным (и некоторым слабым) ядерным взаимодействием. Связывание ядер очень короткое; это означает, что мы можем думать о нуклонах как о «слипшихся» благодаря этой силе. Кроме того, протоны отталкиваются из-за их электрического заряда.

Поскольку геометрия означает, что нуклон имеет лишь ограниченное число других нуклонов, к которым он может «прилипнуть», сила притяжения на нуклон более или менее фиксирована.

Отталкивающее электрическое поле имеет большой радиус действия. Это означает, что по мере роста ядра растет и отталкивание, так что в конце концов это отталкивание превышает эффект притяжения, и дальше увеличивать ядро ​​нельзя. Отсюда ограниченное количество возможных элементов.

Фактически это означает, что сила притяжения на нуклон быстро возрастает для небольшого числа нуклонов, затем достигает максимума и начинает падать.

Эквивалентно, энергия связи на нуклон ведет себя аналогично.

Как отметил @cuckoo, у железа и никеля наиболее тесно связаны ядра; железо-56 имеет наименьшую массу на нуклон, а никель-62 имеет наибольшую энергию связи.

Это изображение (из Википедии) иллюстрирует кривую в типичном виде:

введите описание изображения здесь

Однако я предпочитаю думать об энергии связи как об отрицательной и поэтому лучше визуализировать железо как состояние с наименьшей энергией:

введите описание изображения здесьДля более легких элементов:

  • Деление требует энергии
  • Слияние высвобождает энергию

Для более тяжелых элементов верно обратное.

Причина, по которой мы в основном наблюдаем случаи высвобождения энергии, заключается в том, что:

  • это проще сделать
  • Это более "полезно"
По-видимому, железо 56 не является самым прочно связанным ядром, тогда как железо 58 и никель 62 связаны немного сильнее, но до железа 56 почему-то легче «достичь», используя механизмы слияния/распада, распространенные в звездах.
Значит, этот процесс холодного синтеза, о котором я много лет слышал в научной фантастике, уже возможен, просто это не источник энергии ? Интересный.
@AlexandreAubrey: Нет, «холодный синтез», если бы он существовал, имел бы тот же чистый эффект, что и обычный синтез легких ядер с выделением энергии. Что делает его «холодным», так это то, что предположительно вы могли бы каким-то образом заставить это произойти, не проходя через промежуточную стадию, для достижения которой требуется много энергии, а именно там, где два ядра находятся достаточно близко друг к другу, что вы потратили много энергии. преодолевая их электростатическое отталкивание, но еще не настолько близко друг к другу, чтобы сильная сила начала притягивать их.
... Эта стоимость энергии не теряется; она окупится либо тогда, когда произойдет слияние, либо, если слияния не произойдет, то тогда, когда ядра снова разойдутся с большой скоростью электростатическими силами. Но получить столько энергии, сконцентрированной в паре ядер, в первую очередь, является главной технологической проблемой термоядерной энергетики, и единственный известный способ достичь этого количества — это нагреть плазму до безумных температур. Холодный синтез — каким-то образом так и не объясненным — означает способ обойти этот барьер.
@ Ян Интересно. Будет переформулировать.
@HenningMakholm «холодный синтез» действительно существует, просто он немного отличается от того, о чем думает большинство людей. По сути, вы заменяете часть электронов мюонами, которые намного тяжелее, но имеют тот же заряд, что и электрон. Из-за этого они вращаются намного ближе к ядру, и другим атомам гораздо легче разбиться достаточно близко, чтобы слиться. поищите "Слияние, катализируемое мюонами".
Однако следует отметить, что он по-прежнему потребляет больше энергии, чем выделяет ... Мюоны распадаются довольно быстро, поэтому их нельзя хранить, и для их производства требуется много энергии.

Деление высвобождает энергию, потому что тяжелое ядро ​​(например, уран-235) похоже на взведенную мышеловку: требуется энергия, чтобы сжать вместе все эти протоны и нейтроны достаточно сильно, чтобы они едва держались (под действием ядерных сил) вопреки естественной тенденции к расщеплению. все эти протоны резко разлетаются в стороны из-за их электростатического отталкивания. При попадании входящего нейтрона это похоже на нажатие мыши на спусковой крючок ловушки: ядро ​​взрывается.

В случае термоядерного синтеза механизм другой: ядерная сила между протонами и между нейтронами очень сильно притягивается, но проявляется только тогда, когда частицы находятся так близко друг к другу, что они «соприкасаются». Этого притяжения недостаточно, чтобы склеить два протона вопреки их электростатическому отталкиванию, но если вы добавите к рецепту два нейтрона, вы получите достаточную ядерную силу взаимного притяжения, чтобы преодолеть электростатику, и частицы затем яростно присосутся друг к другу с очень мощным хлопком.

Другие реакции синтеза, в которых (2 протона плюс два нейтрона) прижимаются к более тяжелому ядру (например, углероду, азоту, кислороду, фтору и т. д.), выделяют все меньше энергии, потому что для преодоления отталкивания требуется все больше и больше работы. эффект, так как ядро ​​​​аккумулирует больше протонов. К тому времени, как вы доберетесь до железа, дальнейшие реакции синтеза фактически потребляют энергию, а не высвобождают ее, потому что эффект электростатического отталкивания становится все больше и больше, и вместо этого вы находитесь в области деления .

Я бы добавил, что в обоих случаях полученные продукты в сумме легче, чем его реагенты, - и в этом вся хитрость. Е "=" м с 2
да да........
@StianYttervik E=mc2 + hfПросто потому, что при массе hf можно игнорировать; не значит, что это не в уравнении!
@UKMonkey Достаточно честно! Но вопрос, на который я пытался пролить некоторый свет, который заслуживает этого, заключается в том, что при делении и слиянии Вселенная теряет крошечную часть массы. Именно эта потеря массы позволяет нам извлекать полезную работу. Однако, если вы попытаетесь сплавить что-то над железом или разжечь... расщепить... черт возьми, оно расколет что-то ниже - вы обычно не получаете такой потери массы. (поскольку железное ядро ​​такое стабильное)
Не могли бы вы обобщить это как «легкие элементы генерируют энергию, когда они подвергаются синтезу, а тяжелые элементы генерируют энергию, когда они подвергаются делению»?
... и элементам с малым атомным номером потребуется больше энергии для принудительного деления, чем вы восстановите. Обратимость.
@UKMonkey Ты имеешь в виду Δ Е "=" час ф "=" Δ м с 2 , верно? Т.е. энергия излучения равна разности масс ядра.
@PeterA.Schneider нет; Я имел в виду то, что сказал. это очень часто неверно цитируемое уравнение. Рассмотрим энергию фотона. Что такое fматерия, это тема для другого вопроса.
@StianYttervik: Продукты также легче, чем реагенты в экзотермической химической реакции. Величина эффекта просто намного больше с ядерной реакцией.
да, но легче объяснить, что энергия возникает из-за разницы в свободной энергии Гиббса для химической реакции. То же самое относится и к ядрам с энергией связи глюона, но это проблема многих тел и не очень интуитивная.
Я знаю, что трудно найти баланс между понятным и информативным, но неточности в этом ответе меня беспокоят. Можно слить два протона - Солнце все время делает p+p->D. Добавление двух нейтронов упрощает задачу, но между двумя дейтронами по-прежнему существует сильное электростатическое отталкивание... В первом фрагменте я нахожу, что фраза «потребуется работа, чтобы сжать все эти протоны и нейтроны достаточно близко друг к другу» также вводит в заблуждение, потому что это не объяснить, почему ситуация будет отличаться для легких и тяжелых атомов. Легкие атомы также должны сжимать свои протоны и нейтроны близко друг к другу.
@craq, дейтерий - это не два связанных протона, не так ли? И разве не целью добавления нейтронов является притяжение ядерных сил, достаточное для преодоления отталкивания pp? Я отредактирую ваш последний пункт - NN
@nielsnielsen нет, дейтерий - это не два связанных протона. Я также был виновен в упрощении. Полная реакция включает распад одного из протонов на нейтрон, позитрон и нейтрино. en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain_reaction . Нейтроны, будучи нейтральными, мало что могут сделать для уменьшения электростатического отталкивания. Вы можете возразить, что нейтроны увеличивают расстояние между протонами, а электростатическая сила затухает как 1/r^2. (Но это тоже не совсем правильно.)
Первый абзац здесь меня беспокоит, то, как он написан, подразумевает, что только общее количество нуклонов в U-235 делает его делящимся, и подразумевает, что любое тяжелое ядро ​​должно вести себя так же, хотя на самом деле большинство из них обычно поглощают медленные нейтроны без деления.
@danneely, ОП заявляет здесь, что у него есть школьные знания физики, и мой ответ был призван объяснить это. По этой причине я не стал рассматривать сечения деления как функции энергии нейтронов и атомного номера, предполагая вместо этого, что эти темы будут раскрыты в программе первого или второго курса колледжа.

Ваше предположение о самом низком энергетическом состоянии, когда все плотно склеено, неверно.

Так будет только до тех пор, пока вы не получите ядра железа, и именно поэтому железо является самым тяжелым элементом, созданным в результате синтеза.

Создание ядер тяжелее железа потребляет энергию, а не высвобождает ее. И именно поэтому эти элементы образуются только при взрывах сверхновых и других высокоэнергетических событиях, где происходит обильный ввод энергии.

Диаграмма энергии связи ядра очень хорошо показывает этот факт.
@WorldSEnder Диаграмма также показывает, что при синтезе элементов легче железа выделяется значительно больше энергии, чем при делении элементов тяжелее железа.
@Vaelus, по крайней мере, считая на нуклон. На ядерной основе снова побеждает деление.
@Chieron - Нет. Fusion намного превосходит деление по выходной мощности. Единственная причина, по которой мы используем ядерные установки, заключается в том, что синтезировать гораздо труднее.
@PaulSinclair посмотри на этот график. При расщеплении одного ядра урана выделяется больше энергии, чем при слиянии двух более легких ядер любого типа. Синтез более эффективен, потому что действительно имеет значение масса/выход на нуклон.
@Chieron - я полагаю, что если бы вам было разрешено разделить / сплавить только фиксированное количество ядер, то вы действительно получили бы больше от деления, чем от синтеза. Однако реалистичными мерами являются % массы, преобразованной в энергию, доступность топлива и стоимость выполнения. Во-первых, слияние выигрывает по-крупному. Второй, слияние H2-H2, легко побеждает. Синтез H2-H3 дает гораздо меньше преимуществ, поскольку в настоящее время мы получаем H3 с помощью ядерных реакторов, но это все же проще, чем перерабатывать больше урана. Только стоимость и технология дают делению его нынешнее преимущество.

Я хотел добавить еще один ответ, чтобы показать важный график - энергия связи на нуклон в зависимости от атомного номера (количество нуклонов [протонов + нейтронов]).

Энергия связи на нуклон в зависимости от числа нуклонов

Энергия связи – это количество энергии, необходимое для разрыва ядра. Если после изменения количество энергии связи уменьшается, мы должны были приложить энергию для разрыва ядра. Если, с другой стороны, оно увеличивается, значит, оно высвобождает энергию.

Из графика видно, что есть два способа увеличить энергию связи на нуклон: во-первых, начать справа, за железом, и разбить ядра, двигаясь влево и вверх по склону. Это деление. Во-вторых, начиная слева, сливая ядра вместе, поднимаясь по склону вправо. Это слияние. Вы можете видеть, что вознаграждение особенно велико, если вы переходите с водорода на гелий.

Итак, я думаю, теперь вопрос: почему сюжет не монотонен? Почему она не всегда либо увеличивается, либо всегда уменьшается? Я думаю, что другие ответы уже пролили свет на это.

Простое отображение этого графика делает этот ответ лучшим. +1

Синтез:
в маленьком ядре относительно большая доля нуклонов находится на поверхности, что снижает общую энергию связи. Слияние 2 очень маленьких ядер в одно ядро ​​среднего размера высвобождает энергию, главным образом потому, что в образовавшемся большем ядре на поверхности меньше нуклонов, чем раньше. Это аналогично эффекту поверхностного натяжения , при котором две капли воды могут сливаться и выделять некоторую энергию из-за уменьшения общей площади поверхности.

Деление:
в большом ядре сильное кулоновское отталкивание из-за большого количества протонов. Деление очень большого ядра на 2 ядра среднего размера высвобождает энергию, в основном потому, что общее кулоновское отталкивание в двух образующихся ядрах меньше, чем раньше.

Поэтому ядра среднего размера (~ 55 нуклонов) имеют наибольшую энергию связи на нуклон.

Формула Бете-Вайцзекера для энергии связи ядра дает более количественное объяснение этому.

Я думаю, что стоит специально обратиться к слову «оба» в вопросе. Если вы говорите «оба высвобождают энергию», вы подразумеваете некоторое противоречие, но на самом деле такой проблемы нет. Вы сравниваете яблоки и апельсины.

Для вещества, которое имеет эндотермическую реакцию синтеза, расщепление этого вещества, вероятно, будет чистым экзотермическим процессом. Это применимо для элементов тяжелее железа.

Для элементов с экзотермическими реакциями синтеза все наоборот. Таким образом, в конечном итоге для данного элемента только один из двух процессов (деление и синтез) будет чистым экзотермическим процессом. Вы также можете посмотреть этот пост Physics SE: Все ли реакции ядерного синтеза экзотермические, а реакции деления эндотермические?

Потому что притяжение сильного ядерного взаимодействия имеет короткий радиус действия , а электростатическое отталкивание — большой радиус действия .

Как следствие, электростатическое отталкивание будет расти быстрее с увеличением числа нуклонов, чем ядерное притяжение (протоны по всему ядру будут отталкиваться друг от друга, а притягиваться будут только соседние нуклоны). Это приводит к уменьшению энергии связи на нуклон по мере увеличения их числа, и в какой-то момент она достигает максимума и начинает уменьшаться.

Железо просто находится на максимуме энергии связи на нуклон. Следовательно, для более тяжелых элементов, чем железо, при делении выделяется энергия, а для более легких элементов, чем железо, выделяется энергия при синтезе.

Этого нельзя полностью обойти, добавив больше нейтронов, в основном потому, что слабое ядерное взаимодействие делает их нестабильными, но до некоторой степени это работает, поэтому более тяжелые ядра обычно имеют более высокое отношение нейтронов к протонам. Но в какой-то момент уже невозможно добавить больше нуклонов, не сделав все это нестабильным, вот почему очень тяжелые элементы радиоактивны.

Вот качественный вид.

Суммарная энергия положительна только при синтезе элементов легче железа, т . е. при синтезе выделяется энергия. Для элементов тяжелее железа синтез требует энергии, т. е. чистая энергия отрицательна.

Сегодня мы можем использовать деление для высвобождения энергии благодаря тому факту, что какой-то процесс в прошлом (например, в сверхновой) передал энергию тяжелым ядрам.

Есть энергия, необходимая для удержания атомов друг от друга, но также и энергия, необходимая для удержания атома вместе. Когда вы разбиваете атом, эта энергия связи высвобождается.

На самом деле за связывание атомов вместе отвечает одна из четырех фундаментальных сил — сильное ядерное взаимодействие.

Fusion работает, соединяя одни и те же два элемента и склеивая их вместе, чтобы сформировать новый более тяжелый элемент. Когда вы складываете массы двух исходных элементов, они больше, чем у нового элемента.

Именно эта разница масс становится энергией. Вы можете рассчитать количество энергии из известного уравнения Эйнштейна E = mc (квадрат). Здесь m равно (2 x масса исходного элемента) - (масса нового элемента), а c - скорость света.

Пример: Два атома водорода вместе образуют один атом гелия.

Когда масса двух исходных элементов становится больше, разница между их массами и массами нового элемента становится меньше.

Деление работает, разделяя один элемент на два новых более легких элемента. Когда вы складываете массы двух новых элементов, получается меньше исходного элемента.

Именно эта разница масс становится энергией. Вы можете рассчитать количество энергии из известного уравнения Эйнштейна E = mc (квадрат). Здесь m (масса исходного элемента) - (масса новых элементов), а c - скорость света.

Я хотел упомянуть, что технически это намного сложнее, чем то, что я говорю здесь. Короткий ответ все тот же: масса превращается в энергию.

«Деление работает, разделяя один элемент на два новых более легких элемента. Когда вы складываете массы двух новых элементов, получается больше, чем у исходного элемента». Нет, вы поняли это наоборот. Сумма масс новых элементов должна быть меньше, иначе у вас не будет выделения энергии!

Хотел дать быстрый ответ, но, видимо, теперь не одобряют давать быстрые ответы в комментариях, так что вот он:

Грубо говоря, ядерное деление является эндотермическим для ядер, тогда как ядерный синтез был бы экзотермическим, и наоборот. Для ядер меньшего размера, чем железо, деление обычно эндотермическое, а синтез экзотермический. Для ядер тяжелее железа ситуация обратная.

Почему при синтезе и делении выделяется энергия?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v