ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Jądro atomowe (rozszerzenie)klasa 4 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/4/fizyka/synteza-jadrowa-i-energia-gwiazd/

Fizyka · Jądro atomowe (rozszerzenie) · kl. 4 · zakres rozszerzony

Synteza jądrowa i energia gwiazd

Słońce świeci, bo w jego wnętrzu lekkie jądra łączą się w cięższe – ale najpierw muszą się zderzyć mimo silnego odpychania.

ok. 4 min czytania9 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Na czym polega synteza

  • Synteza (reakcja termojądrowa) to łączenie lekkich jąder w cięższe. Uwalnia energię, bo produkt ma większą energię wiązania na nukleon niż substraty.
  • Jądra są dodatnie i się odpychają. Żeby zbliżyły się na odległość działania sił jądrowych, potrzebna jest bardzo wysoka temperatura (miliony kelwinów) – wtedy najszybsze jądra zbliżają się na tyle (pomaga zjawisko tunelowe), że mimo odpychania elektrostatycznego mogą się połączyć. W środku Słońca jest ok. 1,5·107 K.
Zapamiętaj

Synteza i rozszczepienie prowadzą w stronę żelaza, gdzie Ew/A jest największa – dlatego oba procesy uwalniają energię.

0AEw / A [MeV]501001502002502468⁴He⁷Li⁵⁶Fe: maksimum, ok. 8,8²³⁸U²Hsyntezarozszczepienie
Energia wiązania na nukleon od liczby masowej: lekkie jądra łączą się (synteza), ciężkie dzielą się (rozszczepienie) – w obu przypadkach produkty są bliżej maksimum przy żelazie
Uwaga na błąd

„Synteza musi pochłaniać energię, bo jądra trzeba zbliżyć”

Na zbliżenie potrzeba energii kinetycznej, ale powstałe jądro jest silniej związane i bilans jest dodatni (dla jąder lżejszych od żelaza).

2Wodór w hel – analiza schematu

  • W Słońcu zachodzi głównie cykl proton–proton. Sprawdź A i Z w każdym kroku:
krokreakcjaile razy
1¹₁H + ¹₁H → ²₁H + e⁺ + ν2
2²₁H + ¹₁H → ³₂He + γ2
3³₂He + ³₂He → ⁴₂He + 2 ¹₁H1
  • Razem: 4 ¹₁H → ⁴₂He + 2e⁺ + 2ν + 2γ. Wydziela się ok. 26,7 MeV (licząc też anihilację pozytonów z elektronami); niewielką część unoszą neutrina.
  • Przykład z ziemskich reaktorów doświadczalnych: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 MeV (A: 2 + 3 = 4 + 1; Z: 1 + 1 = 2 + 0).
Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego synteza lekkich jąder uwalnia energię?

3Obliczenia

  • Oznaczenia: P — moc promieniowania Słońca [W]; Δm przez Δt — ubytek masy w jednostce czasu [kg/s]; Er — energia jednej przemiany 4H → He [J]; N — liczba przemian na sekundę [1/s]; c — prędkość światła [m/s].
  • Przykład 1. Dane: P = 3,8·1026 W, c = 3·108 m/s. Wzór: Δm przez Δt = P przez c². Obliczenia: 3,8·1026 W przez 9·1016 m²/s² ≈ 4,2·109 kg/s. Odpowiedź: masa Słońca maleje o ok. 4 mln ton na sekundę – tyle odpowiada wypromieniowanej energii.
  • Przykład 2. Dane: Er = 26,7 MeV = 4,27·10−⁠12 J. Wzór: N = P przez Er. Obliczenia: N = 3,8·1026 W przez 4,27·10−⁠12 J ≈ 8,9·1037 1/s. Odpowiedź: ok. 9·1037 przemian wodoru w hel na sekundę.
  • Przykład 3. Na nukleon: synteza D + T daje 17,6 MeV przez 5 ≈ 3,5 MeV, rozszczepienie uranu 200 MeV przez 236 ≈ 0,85 MeV – ok. 4 razy mniej.

✎Ściąga: Synteza jądrowa i energia gwiazd

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • Synteza i rozszczepienie prowadzą w stronę żelaza, gdzie Ew/A jest największa – dlatego oba procesy uwalniają energię.
  • Synteza (reakcja termojądrowa) to łączenie lekkich jąder w cięższe. Uwalnia energię, bo produkt ma większą energię wiązania na nukleon niż substraty.
  • Oznaczenia: P — moc promieniowania Słońca [W]; Δm przez Δt — ubytek masy w jednostce czasu [kg/s]; Er — energia jednej przemiany 4H → He [J]; N — liczba przemian na sekundę [1/s]; c — prędkość światła [m/s].
  • Przykład 1. Dane: P = 3,8·1026 W, c = 3·108 m/s. Wzór: Δm przez Δt = P przez c². Obliczenia: 3,8·1026 W przez 9·1016 m²/s² ≈ 4,2·109 kg/s. Odpowiedź: masa Słońca maleje o ok. 4 mln ton na sekundę – tyle odpowiada wypromieniowanej energii.
  • Przykład 2. Dane: Er = 26,7 MeV = 4,27·10−⁠12 J. Wzór: N = P przez Er. Obliczenia: N = 3,8·1026 W przez 4,27·10−⁠12 J ≈ 8,9·1037 1/s. Odpowiedź: ok. 9·1037 przemian wodoru w hel na sekundę.
  • Przykład 3. Na nukleon: synteza D + T daje 17,6 MeV przez 5 ≈ 3,5 MeV, rozszczepienie uranu 200 MeV przez 236 ≈ 0,85 MeV – ok. 4 razy mniej.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Dlaczego synteza jądrowa wymaga bardzo wysokiej temperatury?

    1. AAby jądra pokonały wzajemne odpychanie elektrostatyczne
    2. BAby jądra uzyskały ładunek ujemny
    3. CAby zwiększyć masę jąder
    4. DAby spowolnić neutrony
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: Aby jądra pokonały wzajemne odpychanie elektrostatyczne – Dodatnie jądra muszą mieć dużą energię kinetyczną, żeby zbliżyć się mimo odpychania.

  2. Głównym źródłem energii Słońca jest

    1. Asynteza wodoru w hel
    2. Brozpad α ciężkich jąder
    3. Cspalanie węgla
    4. Drozszczepienie uranu
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: synteza wodoru w hel – W cyklu proton–proton cztery jądra wodoru dają jądro helu-4.

  3. Która reakcja ma poprawny bilans A i Z?

    1. A²₁H + ³₁H → ⁵₃Li
    2. B²₁H + ³₁H → ³₂He + ¹₀n
    3. C²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₁p
    4. D²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n – A: 2 + 3 = 4 + 1, Z: 1 + 1 = 2 + 0.

  4. W kroku cyklu p–p: ¹₁H + ¹₁H → ²₁H + X + ν. Cząstka X to

    1. Aelektron
    2. Bpozyton
    3. Ccząstka α
    4. Dneutron
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: pozyton – Z: 1 + 1 = 1 + Z_X, więc Z_X = +1 i A_X = 0 – to pozyton.

  5. Słońce wypromieniowuje P = 3,8·1026 W. Jego masa maleje o ok.

    1. A4·1026 kg/s
    2. B1,3·1018 kg/s
    3. C4·1018 kg/s
    4. D4·109 kg/s
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: 4·109 kg/s – Δm/Δt = P/c² = 3,8·1026 / 9·1016 kg/s ≈ 4,2·109 kg/s.

  6. Dlaczego synteza lekkich jąder uwalnia energię?

    1. AElektrony przechodzą na wyższe poziomy
    2. BLiczba nukleonów rośnie
    3. CProdukt ma większą energię wiązania na nukleon niż substraty
    4. DLiczba protonów maleje do zera
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Produkt ma większą energię wiązania na nukleon niż substraty – Przesuwamy się w stronę maksimum krzywej E_w/A, więc różnica energii się uwalnia.

  7. Która reakcja daje więcej energii na jeden nukleon?

    1. AŻadna nie uwalnia energii
    2. BRozszczepienie uranu
    3. CSynteza D + T
    4. DObie dokładnie tyle samo
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Synteza D + T – Synteza D + T: ok. 3,5 MeV na nukleon, rozszczepienie: ok. 0,85 MeV.

  8. Ile energii wydziela się w przemianie 4 ¹H → ⁴He w gwiazdach?

    1. Aok. 2,7 MeV
    2. Bok. 0,511 MeV
    3. Cok. 200 MeV
    4. Dok. 26,7 MeV
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: ok. 26,7 MeV – Na jedno powstałe jądro helu-4 wydziela się ok. 26,7 MeV.

Cały dział „Jądro atomowe (rozszerzenie)”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Rozwiąż quiz · 8 pytańFiszki · 9🔊 Posłuchaj notatki

Więcej: Fizyka, klasa 4

Foton: energia i pędAtom wodoru: poziomy i serie widmoweOdrzut atomu przy emisji fotonuFotoefekt: bilans energii i napięcie hamowaniaFale materii de Broglie’aObserwacja widma przez siatkę dyfrakcyjnąPrędkość światła jest taka sama dla wszystkichEnergia spoczynkowa, całkowita i pęd relatywistycznyKiedy wystarczy mechanika klasycznaNuklidy, izotopy i bilans reakcji jądrowejRozpady α, β⁻, β⁺ i promieniowanie γPrawo rozpadu i datowanie radiowęgloweDeficyt masy, energia wiązania i bilans energii reakcjiRozszczepienie jądra i reakcja łańcuchowaPromieniowanie jonizujące: dawki, ochrona i obliczeniaPromieniowanie termiczne: prawo Wiena i Stefana–BoltzmannaKreacja i anihilacja par cząstka–antycząstkaElektrownia jądrowa, zastosowania i ewolucja gwiazdMechanika i grawitacja: którą zasadę wybrać?Drgania, ciepło i prąd: wzory do powtórkiFale i optyka: wzory i niepewność z wykresuAtom i jądro: zadania maturalne krok po krokuRozwiązanie zadania i karta wzorów CKE