Fizyka — poziom akademicki
Krzywa energii wiązania (wzór Weizsäckera)
Energia wiązania na nukleon B/A mówi, jak stabilne jest jądro. Ustaw liczbę masową i protonów, a zobaczysz półempiryczny wzór Weizsäckera w akcji: krzywa rośnie, osiąga maksimum ~8,8 MeV przy żelazie i opada. To wyjaśnia, czemu Słońce (fuzja) i reaktory (rozszczepienie) w ogóle produkują energię.
Dam Ci liczbę masową A — zgadnij, jak to jądro zejdzie ku żelazu (szczyt B/A ≈ 56): przez fuzję czy rozszczepienie.
Co się właśnie stało?
Energia wiązania to „klej” trzymający nukleony razem — jej deficyt masy zamienia się na energię wg . Podzielona przez liczbę nukleonów () mówi, jak stabilne jest jądro. Krzywa rośnie, osiąga szczyt przy żelazie i opada — dlatego żelazo jest „dnem” energetycznym.
Półempiryczny wzór Weizsäckera:
Kolejne człony: objętościowy (klej), powierzchniowy (nukleony na brzegu), kulombowski (odpychanie protonów), asymetrii (nadmiar neutronów) i parowania. Model „kropli cieczy” zaskakująco dobrze odtwarza dane.
Niezmiennik — wszystko schodzi do żelaza:
Zarówno fuzja jąder lekkich, jak i rozszczepienie ciężkich przesuwają układ w stronę maksimum B/A. Ponieważ produkty są silniej związane, różnica energii zostaje uwolniona. Gwiazdy syntetyzują pierwiastki tylko do żelaza — cięższe powstają dopiero w supernowych.
Po co Ci to na maturze:
To akademickie rozszerzenie tematu reakcji jądrowych i . W szkole liczysz energię z deficytu masy; tutaj widzisz, dlaczego reaktory (rozszczepienie U) i Słońce (fuzja H) w ogóle działają — bo oba idą „w dół” po tej samej krzywej.
Zapamiętaj: B/A ma maksimum przy żelazie (~8,8 MeV). Fuzja lekkich i rozszczepienie ciężkich zbliżają do żelaza — dlatego oba uwalniają energię.
Teoria i wzory
Energia wiązania na nukleon
mówi, jak stabilne jest jądro. Wynika z deficytu masy (masa jądra mniejsza niż suma mas nukleonów):
Krzywa B/A
Rośnie dla lekkich jąder, osiąga maksimum ~8,8 MeV przy żelazie, potem opada. Opisuje ją półempiryczny wzór Weizsäckera (człony: objętościowy, powierzchniowy, kulombowski, asymetrii, parowania).
Skąd energia
- fuzja lekkich jąder — wspinanie się w górę krzywej,
- rozszczepienie ciężkich — też w stronę większego .
Oba procesy uwalniają różnicę energii wiązania.
Oznaczenia: — energia wiązania na nukleon, — energia wiązania, — deficyt masy, — prędkość światła, — liczba masowa.
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Najczęstsze pytania
›Czemu żelazo jest „dnem” energetycznym?
Bo krzywa energii wiązania na nukleon (B/A) ma tam maksimum (~8,8 MeV). Jądra żelaza są najsilniej związane, więc żadna reakcja jądrowa nie uwolni z nich energii — ani fuzja, ani rozszczepienie. Wszystkie procesy „schodzą” w stronę żelaza.
›Skąd energia z rozszczepienia i z fuzji?
Produkty obu procesów są silniej związane (wyższe B/A) niż substraty. Różnica energii wiązania zostaje uwolniona. Fuzja idzie w górę krzywej od strony lekkich jąder, rozszczepienie — od strony ciężkich; oba zbliżają się do maksimum przy żelazie.
›Co oznacza deficyt masy?
Masa związanego jądra jest mniejsza niż suma mas swobodnych nukleonów. Ten „brakujący” fragment masy to właśnie energia wiązania, zgodnie z E=mc². Im większy deficyt masy na nukleon, tym stabilniejsze jądro.
Powiązane eksperymenty