Schemat reakcji jądrowej: najpierw bilans cząstek, potem energia

Potrzebne wiadomości: Liczby A i Z, energia reakcji i jednostka elektronowolta.

Zbilansowanie równania jest pierwszym sprawdzianem

W szkolnym schemacie reakcji jądrowej kontrolujemy sumę liczb nukleonów A i ładunków jądrowych Z. Neutron ma A = 1, Z = 0, a cząstka alfa A = 4, Z = 2. Te informacje pozwalają uzupełnić brakujący składnik, ale nie wyznaczają energii ani częstości reakcji.

Jeden przykładowy kanał rozszczepienia

Rozważmy zapis:

^{235}_{92}\mathrm U+{}^1_0n\to{}^{141}_{56}\mathrm{Ba}+{}^{92}_{36}\mathrm{Kr}+3{}^1_0n.

Po lewej A = 235 + 1 = 236. Po prawej 141 + 92 + 3 = 236. Dla Z otrzymujemy 92 = 56 + 36, ponieważ neutrony nie mają ładunku elektrycznego. Ten kanał jest przykładem; rozszczepienie może prowadzić do wielu innych par produktów, które następnie mogą być nietrwałe.

Synteza: inne produkty, te same kontrole

Dla schematu deuteru i trytu:

{}^2_1\mathrm H+{}^3_1\mathrm H\to{}^4_2\mathrm{He}+{}^1_0n

A daje 2 + 3 = 4 + 1, a Z daje 1 + 1 = 2 + 0. Gdyby zamiast neutronu wpisać proton, liczba nukleonów nadal by się zgadzała, lecz ładunek już nie: po prawej byłoby Z = 3. Sprawdzenie tylko jednej sumy może więc przepuścić błędny zapis.

Energia wymaga danych o masach

Jeśli w modelowym zadaniu Q = 17,6 MeV, jedna reakcja uwalnia około 2,82·10⁻¹² J przy przeliczniku 1 MeV = 1,602·10⁻¹³ J. Nie otrzymamy tej liczby z samych A i Z. Potrzebne są spójne masy stanów przed i po albo podana Q. Dodatnie Q może rozdzielić się między energie ruchu, wzbudzenie i promieniowanie.

Kontrast: dwa produkty nie dzielą energii po równo

W idealizacji pomijalnego początkowego pędu i energii kinetycznej rozważmy dwa produkty o masach w stosunku 4:1, bez wzbudzeń. Mają przeciwne równe pędy. Nierelatywistycznie energia przypada odwrotnie do mas, więc przy Q = 17,6 MeV cięższy dostaje 3,52 MeV, a lżejszy 14,08 MeV. Są to liczby modelowe wynikające z przyjętego stosunku mas, nie dokładna tablica energii rzeczywistego kanału.

Czego równanie nie opisuje?

Obecność neutronów po reakcji nie mówi jeszcze, ile z nich spowoduje następne rozszczepienia. Dodatni bilans syntezy nie usuwa bariery elektrycznej. Gwiazdy mogą przetwarzać wodór w hel przez różne sieci reakcji, a nie wyłącznie pokazany schemat deuteru z trytem. Analizujemy tu zachowane wielkości i modelowy podział energii, bez projektowania konfiguracji materiałów lub urządzenia. Poprawne równanie jest warunkiem koniecznym opisu procesu, lecz nie instrukcją jego wykonania.

Zadania do tego tematu

• Brakujące neutrony w podanym kanale rozszczepienia
• Energia podanej reakcji syntezy w dżulach
• Schemat syntezy z brakującą cząstką

Dalsza lektura

Materiał referencyjny