تبلیغات
{مقالات دانشگاهی} - انرژی بستگی هسته

 انرژی بستگی هسته ... فیزیک ,
انرژی بستگی هستههمانطور که می‌دانید در واکنشهای شیمیایی الکترون از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود. در بعضی واکنش‌ها انرژی آزاد می‌شود. اما در بعضی دیگر، واکنش انرژی می‌گیرد تا انجام شود. بعنوان مثال ما برای جدا کردن اکسیژن و هیدروژن در آب باید به آن انرژی بدهیم. در حالی که برای تشکیل آب از اکسیژن و هیدروژن، انرژی (به صورت گرما) آزاد می‌شود.
به عبارت دیگر می‌توان گفت: آرایش الکترون در اطراف هسته دارای انرژی است و اگر در حین انجام واکنش تغییر آرایش از انرژی زیاد به انرژی کم باشد در این فرآیند انرژی آزاد می‌شود و بر عکس اگر از آرایشی؛ انرژی کم به انرژی زیاد برویم آنگاه نیاز به این داریم که برای انجام این چنین فرآیندی انرژی بدهیم.
حال با توجه به اینکه آرایش نوکلئون‌ها در هسته با انرژی زیاد همراه است آیا می‌توان آرایش نوکلئون‌ها را طوری تغییر دهیم که انرژی دریافت کنیم؟ آیا می‌توان به فکر استفاده از انرژی هسته‌ای باشیم؟
نخستین کسی که انرژی تولید شده توسط عنصرهای رادیو اکتیو را اندازه گرفت "پیر کوری" بود. وی در سال ١٢٨٠ شمسی (١٩٠١ م) انرژی مقداری ماده رادیوم را اندازه گرفت و به این نتیجه رسید که اگر ٢٨ گرم از عنصر رادیوم موجود باشد در عرض یک ساعت ٤٠٠٠ کالری به صورت پرتوزایی آزاد می‌کند.
البته در مقایسه با انرژی حاصل از سوختن ٢٨ گرم نفت (که معادل ٣٢٥٠٠ کالری است) مقدار زیادی نیست. اما تفاوت در اینجا است که بعد از سوختن ٢٨ گرم نفت انرژی آن تمام می‌شود ولی ٢٨ گرم رادیوم در یک ساعت اول ٤٠٠٠ کالری انرژی آزاد می‌کند و در ساعت‌های بعدی باز هم انرژی آزاد می‌شود. به طوری که در عرض ١٠ ساعت ٤٠٠٠٠ کالری آزاد می‌گردد (که از ٣٢٥٠٠ کالری مربوط به سوختن نفت بیشتر است) و در طی چند روز انرژیی که از ٢٨ گرم رادیوم آزاد شده دیگر قابل مقایسه با انرژی سوختن ٢٨ گرم نفت نخواهد بود. بنابراین توجه به انرژی هسته‌ای ضروری است.
حال سؤال مهمی که پیش می‌آید اینست که این انرژی از کجا می‌آید؟ چرا رادیوم در واپاشی باید انرژی آزاد کند؟
آزمایش‌های دقیق نشان می‌دهد که جرم اتمی همواره کمتر از مجموع جرم‌های ذرّات تشکیل دهنده هسته در حالت آزاد می‌باشد. به عنوان نمونه ساده ترین اتم که شامل یک الکترون، یک پروتون و یک نوترون می‌باشد ایزوتوپ هیدروژن، دوتریم است که برای آن داریم:
جرم سکون یک پروتون
جرم سکون یک نوترون
جرم سکون یک الکترون
همانطور که می‌دانید در واکنشهای شیمیایی الکترون از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود. در بعضی واکنش‌ها انرژی آزاد می‌شود. اما در بعضی دیگر، واکنش انرژی می‌گیرد تا انجام شود. بعنوان مثال ما برای جدا کردن اکسیژن و هیدروژن در آب باید به آن انرژی بدهیم. در حالی که برای تشکیل آب از اکسیژن و هیدروژن، انرژی (به صورت گرما) آزاد می‌شود.
به عبارت دیگر می‌توان گفت: آرایش الکترون در اطراف هسته دارای انرژی است و اگر در حین انجام واکنش تغییر آرایش از انرژی زیاد به انرژی کم باشد در این فرآیند انرژی آزاد می‌شود و بر عکس اگر از آرایشی؛ انرژی کم به انرژی زیاد برویم آنگاه نیاز به این داریم که برای انجام این چنین فرآیندی انرژی بدهیم.
حال با توجه به اینکه آرایش نوکلئون‌ها در هسته با انرژی زیاد همراه است آیا می‌توان آرایش نوکلئون‌ها را طوری تغییر دهیم که انرژی دریافت کنیم؟ آیا می‌توان به فکر استفاده از انرژی هسته‌ای باشیم؟
نخستین کسی که انرژی تولید شده توسط عنصرهای رادیو اکتیو را اندازه گرفت "پیر کوری" بود. وی در سال ١٢٨٠ شمسی (١٩٠١ م) انرژی مقداری ماده رادیوم را اندازه گرفت و به این نتیجه رسید که اگر ٢٨ گرم از عنصر رادیوم موجود باشد در عرض یک ساعت ٤٠٠٠ کالری به صورت پرتوزایی آزاد می‌کند.
البته در مقایسه با انرژی حاصل از سوختن ٢٨ گرم نفت (که معادل ٣٢٥٠٠ کالری است) مقدار زیادی نیست. اما تفاوت در اینجا است که بعد از سوختن ٢٨ گرم نفت انرژی آن تمام می‌شود ولی ٢٨ گرم رادیوم در یک ساعت اول ٤٠٠٠ کالری انرژی آزاد می‌کند و در ساعت‌های بعدی باز هم انرژی آزاد می‌شود. به طوری که در عرض ١٠ ساعت ٤٠٠٠٠ کالری آزاد می‌گردد (که از ٣٢٥٠٠ کالری مربوط به سوختن نفت بیشتر است) و در طی چند روز انرژیی که از ٢٨ گرم رادیوم آزاد شده دیگر قابل مقایسه با انرژی سوختن ٢٨ گرم نفت نخواهد بود. بنابراین توجه به انرژی هسته‌ای ضروری است.
حال سؤال مهمی که پیش می‌آید اینست که این انرژی از کجا می‌آید؟ چرا رادیوم در واپاشی باید انرژی آزاد کند؟
آزمایش‌های دقیق نشان می‌دهد که جرم اتمی همواره کمتر از مجموع جرم‌های ذرّات تشکیل دهنده هسته در حالت آزاد می‌باشد. به عنوان نمونه ساده ترین اتم که شامل یک الکترون، یک پروتون و یک نوترون می‌باشد ایزوتوپ هیدروژن، دوتریم است که برای آن داریم:

 

بقیه در ادامه مطلب


جرم سکون یک پروتون
جرم سکون یک نوترون
جرم سکون یک الکترون

مجموع آنها برابر است با:
در حالی که جرم اتم دوتریم برابر است با:
یعنی وقتی پروتون، نوترون و الکترون را کنار هم می‌گذاریم با جرم کمتری روبه‌رو می‌شویم.
چرا جرم هسته از جرم مجموع نوکلئون‌ها کمتر است؟
برای جدا کردن نوکلئون‌ها باید انرژی مصرف کنیم. بنابراین وقتی نوکلئون‌ها کنار هم قرار می‌گیرند انرژی آزاد می‌کنند. طبق نظریه نسبیت "انیشتین" جرم و انرژی می‌توانند بهم تبدیل شوند. رابطه‌ای که جرم و انرژی را بهم مربوط می‌کند به صورت زیر می‌باشد:

جرم ماده، سرعت نور و انرژی معادل جرم است.
بنابراین طبق این نظریه و با توجه به اینکه جرم هسته از مجموع جرم اجزاء آن کمتر است می‌توان گفت وقتی نوکلئون‌ها کنار هم قرار می‌گیرند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود و این همان انرژی آزاد شده‌ای است که در فرآیند واپاشی به محیط داده می‌شود.

اگر یک کیلوگرم از ماده‌ای به انرژی تبدیل شود چقدر انرژی تولید می‌گردد؟
راهنمایی و حل:
برای محاسبه انرژی آزاد شده از رابطه استفاده کنیم.

اگر جرمی معادل یک پروتون و یک الکترون به انرژی تبدیل شود انرژی آزاد شده برای هر کدام چقدر است؟
راهنمایی و حل:
برای محاسبه انرژی آزاد شده از رابطه استفاده کنیم. انرژی آزاد شده از تبدیل یک الکترون به انرژی برابر است با:

انرژی آزاد شده از تبدیل جرمی معادل یک پروتون به انرژی برابر است با:

بنابراین برای یک هسته با جرم داریم:

که در آن جرم پروتون و جرم نوترون است. تفاوت جرم هسته و مجموع جرم نوکلئون‌ها برابر است با:

پس برای تشکیل هر هسته انرژی آزاد می‌شود به عبارت دیگر برای جدایی نوکلئون‌های یک هسته به اندازه انرژی نیاز است که آن را با نشان می‌دهند. و به آن انرژی بستگی هسته می‌گویند که برای یک هسته هر چه این انرژی بیشتر باشد به این معنی است که هسته پایدارتر است.
معمولاً انرژی بستگی هسته را بر حسب که برابر است بیان می‌کنند.

جرم اتم کربن برابر است. انرژی بستگی آن را بیابید؟
راهنمایی و حل:
ابتدا جرم اجزاء هسته را به دست می‌آوریم و آن را از جرم هسته کم می‌کنیم. آنگاه به کمک رابطه انرژی بستگی را به دست می‌آوریم.

جرم پروتون‌ها و نوترون‌های هسته خیلی بیشتر از جرم الکترون‌ها است و در مقایسه با الکترون ها، بسیار بهم نزدیک ترند. پس می‌توان انتظار داشت با تغییر آرایش نوکلئون‌ها می‌توانیم انرژی بیشتری نسبت به موقعی که آرایش الکترون‌های تغییر می‌دهیم، آزاد شود. انرژی که هر هسته می‌تواند آزاد کند بیش از یک میلیون برابر انرژی آزاد شده به ازای هر اتم شرکت کننده در واکنشهای شیمیایی است.
انرژی نوکلئون‌ها در هسته همانند انرژی الکترون‌ها در اتم کوانتیده است و همانند الکترون‌ها برای آنها تراز انرژی تعریف می‌شود. ما برای کندن الکترون از اتم باید انرژیی بیش از انرژی بستگی الکترون به آن بدهیم. برای نوکلئون‌ها هم همینطور است.
بدیهی است که اگر بخواهیم مطابق فیلم زیر چهار نوکلئون یا ذره از هسته‌ای جدا کنیم باید انرژی بیشتری مصرف کنیم.

برای مشاهده فیلم بر روی شکل مقابل تقه بزنید.

فاصله تراز انرژی الکترون‌ها در حد چند الکترون ولت () است در حالی که فاصله تراز نوکلئون‌ها در هسته‌های سنگین در حد چند ده کیلو الکترون ولت و در هسته‌های سبک در حد هم می‌تواند باشد. بنابراین اگر بخواهیم نوکلئونی را مشابه الکترون از تراز پایین به تراز بالا ببریم تا در برگشت انرژی آزاد کند باید انرژیی خیلی بیشتر از انرژیی که به الکترونها داده می‌شود به نوکلئون‌ها بدهیم. به همین خاطر است که در واکنش‌های شیمیایی هسته‌ها برانگیخته نمی شوند.
سؤالی که اینجا مطرح می‌شود آن است که پس چگونه می‌توانیم یک هسته را برانگیخته کنیم؟
در جواب باید گفت می‌توان از پروتون‌های پرانرژی و یا نوترون استفاده کرد یا از امواج الکترومغناطیسی مثل پرتوهای که انرژیی در حدود چند تا چند دارند، بهره جست که در دروس آینده مفصل تر بحث می‌شود.
و اما مشکلی که با آن مواجه هستیم آن است که انرژی هسته‌ای بسیار کند رها می‌شود. به عنوان نمونه عنصرهایی مثل اورانیوم و توریوم میلیون‌ها سال است که در حال آزاد کردن انرژی هستند.
آیا راهی وجود دارد که آزاد شدن انرژی هسته‌ای را تسریع کند؟
همانطور که می‌دانید در واکنش‌های شیمیایی نیز، ما با سرعت بخشیدن به انجام بعضی از واکنش‌ها باعث می‌شویم انرژی زیادی یکدفعه تولید شود. بعنوان مثال سر چوب کبریت بطور آهسته با اکسیژن هوا در حال ترکیب شدن است.
ولی ما وقتی می‌خواهیم انرژی زیادی داشته باشیم با کشیدن سر چوب کبریت به کنار قوطی کبریت باعث می‌شویم. یک دفعه انرژی زیادی تولید شود. به عبارتی باعث می‌شویم سر چوب کبریت سریع تر با اکسیژن هوا ترکیب شده و بر اثر آن سر چوب کبریت آتش می‌گیرد.
مثال دیگر از واکنش‌های شیمیایی نیتروگلیسیرین است. اگر مقداری از این ماده از طرفی باشد با زدن ضربه‌ای منفجر شده و انرژی زیادی تولید می‌کند.
حال برگردیم به بحث انرژی هسته ای، چه راهی برای سرعت بخشیدن به فرآیندهای هسته‌ای وجود دارد؟
آیا می‌توانیم با گرم کردن هسته، سرعت فرآیند (به عنوان مثال واپاشی) را زیاد کرد؟
آیا با ضربه زدن می‌توانیم سرعت را زیاد کنیم؟ اگر نه پس چه کار می‌توانیم بکنیم؟
این سؤال بسیار مهم برای دانشمندانی بود که به دنبال استفاده از انرژی هسته‌ای بودند.


نوشته شده توسط اشک ط در دوشنبه 28 اردیبهشت 1388 و ساعت 11:00 ق.ظ
ویرایش شده در - ساعت -
 نوشته های پیشین
+ همه چیز در باره نیکوتین
+ مار گزیدگی و راه های درمان آن
+ کدام اسپری ضد عرق را مصرف کنیم ؟
+ اعتیاد و راهای ترک و مقابله با آن
+ گرما زدگی
+ خطرناکترین الگوی مصرف الکل مربوط به جوانان ایرانی است
+ یادآوری نکاتی که به افزایش طول عمر شما کمک خواهد کرد
+ فشار خون پایینو راه کنترل آن
+ نکاتی برای یک پیک نیک خوب
+ انواع موهای سر و روشهای شستشوی آنها
+ سیگار و ضررهای متعدد آن و راههای ترک و مقابله وتشخیص آن
+ اعتیاد به الکل ( الکلیسم‌ )
+ نحوه غربالگری دیابت حاملگی
+ افزایش قدرت و توانایی مغز و تمرکز مغز
+ تصاویر برهنه و کودکان ما و بهترین راه مقابله درست با آن

صفحات :