Fusion og fission – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

20. februar 2010

Fusion og fission

Hej Spørg om Fysik 

Hvordan kan det være at fusion af nuklider der er lettere end jern, giver energi? Hvorimod en fusion af nuklider der er tungere end jern forbruger energi?

Så vidt jeg har læst mig til, så giver en fusion hvis produkt er lettere end reaktanternes sum energi, hvorved masse bliver omdannet til energi. Hvorimod en fusion vis produkt vejer mere end reaktanterne forbruger energi, fordi der skal dannes masse.

Hvordan er sammenhængen mellem den dannede energi og masse i fusionsreaktioner, og hvilken process er ansvarlig for det beskrevne fænomen?

Venlig hilsen
K P

 

Kraften der binder protoner og neutroner sammen i kernen på trods af den stærke frastødning de positive ladninger på protonerne giver, er et eksempel på den stærke kernekraft.

Den afhænger ikke af ladningerne. Såvel neutroner som protoner er bundet, og bindingen er ens for protoner og neutroner. Det er en yderst kortrækkende kraft, den rækker kun i størrelsesorden kernens størrelse (ca. 10-15 m). I dette område er den stærke kernekraft langt større end de elektrostatiske kræfter, ellers ville kernerne ikke være stabile.

Der er endnu ikke fundet noget udtryk for kraften ud fra grundlæggende principper, men den beskrives effektivt, som virkningen af en "potential brønd", et negativt potential, der strækker sig over kernens størrelse. Det antages, at det ikke drejer sig om at alle partikler i kernen vekslevirker med alle andre (som elektriske kræfter), men at en partikel kun vekselvirker med de nærmeste (protoner eller neutroner). Det minder om kovalente (atom-) bindinger i kemien.

Der er desuden en tilbøjelighed til, at der sker pardannelse af to partikler med modsatte spinn og par af sådanne par.

Grafen taget fra D. Halliday: Introductory Nuclear Physics

Bindingsenergien defineres, som den energi, der bliver "tilovers", når man binder et antal nukleoner sammen i en kerne. I fri tilstand og i hvile har nukleonerne hver energien mc2, hvor m er nukleonens masse og c er lysets hastighed. Når de er bundet sammen, har de altså mindre samlet energi end i fri tilstand på grund af det negative potentiale, og "overskuddet" bliver frigjort til kinetisk energi. Sammensmeltning af lette kerner er det man kalder fusion, den samme proces som sker i en brintbombe og først og fremmest i solens centrum, hvor brint, helium mm. bliver til tungere kerner.

Udmåler man for de forskellige grundstoffer bindingsenergien pr. nukleon, får man en kurve som hosstående. Det ses, at der er maksimum omkring grundstof 60 dvs. jern, cobolt og nikkel. Det betyder, at hvis der kommer flere protoner og neutroner i lette kerner vil der frigøres energi. Det er fordi størrelsen af de stærke kræfters tiltrækning af den enkelte nukleon forøges, når der kommer flere nukleoner til.

Dette gælder, som man ser, kun op til jern. Herefter vil den forøgede elektrostatiske frastødning overstige den forøgede kernetiltrækning, når man adderer endnu en nukleon til kernen. Så det koster altså energi at lave tungere kerner end jern. Omvendt vinder man tilsvarende energi ved at skille en tung kerne ad i to lette. Det er det man kalder fission, og som udnyttes i uranbomben og i atomkraftværker.

Med venlig hilsen
Peter Hansen
Malte Olsen