Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της πυρηνικής σύντηξης και της πυρηνικής σχάσης;

Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία ή το αποτέλεσμα της ένωσης δύο ή περισσότερων πραγμάτων μεταξύ τους για να σχηματιστεί μια ενιαία οντότητα. Η πυρηνική σχάση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ο πυρήνας ενός ατόμου διασπάται σε μικρότερα υποατομικά σωματίδια όπως ελεύθερα νετρόνια, σωματίδια γάμμα και πολλή ενέργεια.

Αυτή η ερώτηση μπέρδεψε εμένα και τους περισσότερους φίλους μου όταν ήμασταν στο σχολείο, προετοιμαζόμενοι να εμφανιστούμε στο τεστ Φυσικής. Ατομικές βόμβες… χρησιμοποιούν πυρηνική σχάση, σωστά; Ή μήπως είναι fusion; Ή μήπως και τα δύο; Και τι θα λέγατε για τις βόμβες υδρογόνου;

Οι απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις φαίνονται αρκετά βασικές τώρα, αλλά στο σχολείο…

Για αρχή, αν κάνατε μια γρήγορη αναζήτηση στο Google για την έννοια της λέξης "σύντηξη", θα προέκυπτε:"η διαδικασία ή το αποτέλεσμα της ένωσης δύο ή περισσότερων πραγμάτων για να σχηματιστεί μια ενιαία οντότητα." Αυτός ο ορισμός της λέξης " σύντηξη» ισχύει πολύ οριστικά για τον όρο «πυρηνική σύντηξη», μόνο που εδώ αφορά τους πυρήνες των ατόμων.

Αλλά προτού προχωρήσουμε περαιτέρω στο nitty-gritty που σχετίζεται με τους πυρήνες, ας κάνουμε μια γρήγορη ανακεφαλαίωση ορισμένων βασικών εννοιών που σχετίζονται με τα άτομα και τους πυρήνες, για τις οποίες θα διαβάσετε πολλά στις επόμενες ενότητες.

Λίγα πράγματα για τα άτομα, τους πυρήνες και τους ατομικούς αριθμούς

Πρέπει ήδη να γνωρίζετε ότι το άτομο είναι το δομικό στοιχείο όλης της ύλης. όλα όσα βλέπουμε γύρω μας αποτελούνται από άτομα, πολλά από αυτά. Σκεφτείτε αυτό, ένα ανθρώπινο σώμα που ζυγίζει 70 κιλά (154 λίβρες) περιέχει περίπου 7*10^27 άτομα ή τον αριθμό που λαμβάνετε αφού βάλετε 27 μηδενικά μετά το ψηφίο 7!

μέσω GIPHY

Αλλά συμβαίνει ένα άτομο να έχει πολύ κενό χώρο μέσα του. Με άλλα λόγια, ένα άτομο είναι ως επί το πλείστον κενό. Αυτή είναι η βάση πίσω από μια πολύ δημοφιλή υπόθεση που υποστηρίζει ότι ολόκληρη η ανθρώπινη φυλή μπορεί να χωρέσει μέσα σε έναν μόνο κύβο ζάχαρης! (Περισσότερα για αυτό εδώ). Οποιοσδήποτε μικρός χώρος μέσα σε ένα άτομο πραγματικά «χρησιμοποιείται», καταλαμβάνεται από κάτι γνωστό ως «πυρήνας» του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Μέσα στον πυρήνα υπάρχουν δύο κύρια συστατικά, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Ατομικός αριθμός είναι το μέτρο του αριθμού των πρωτονίων σε ένα άτομο. αν ένα στοιχείο έχει μόνο 1 πρωτόνιο (Υδρογόνο) μέσα στον πυρήνα, τότε έχει ατομικό αριθμό 1 ή δύο πρωτόνια, τότε ο ατομικός του αριθμός είναι 2 (Ήλιο) και ούτω καθεξής.

Περιττό να πούμε ότι ένα άτομο με περισσότερα ηλεκτρόνια έχει υψηλό ατομικό αριθμό και επομένως λέγεται ότι είναι «βαρύ». Στην πραγματικότητα, κάθε στοιχείο στον περιοδικό πίνακα με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο από 92 είναι ένα «βαρύ στοιχείο».

Πυρηνική σύντηξη

Η πυρηνική σύντηξη συμβαίνει όταν δύο ή περισσότεροι πυρήνες ενώνονται για να σχηματίσουν ένα νέο στοιχείο με βαρύτερο πυρήνα, ή με τεχνικούς όρους, ένα στοιχείο με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό. Κατά τη σύντηξη, η ύλη δεν διατηρείται. Αυτό συμβαίνει επειδή μέρος της ύλης μετατρέπεται σε ενέργεια (σε φωτόνια). Ένας τέτοιος συνδυασμός δύο ή περισσότερων πυρήνων για να σχηματιστεί ένας νέος, βαρύς πυρήνας απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, η οποία συνδέεται στενά με έναν πιο δημοφιλή τύπο ισοδυναμίας ενεργειακής μάζας:

Η πιο πιθανή αντίδραση σύντηξης εδώ στη Γη συμβαίνει μεταξύ των δύο ισοτόπων του Υδρογόνου, δηλαδή του Δευτέριου και του Τριτίου. (Ναι, το ίδιο τρίτιο για το οποίο ο Doc Octopus δημιούργησε τέτοια φασαρία στο Spiderman 2 και δυσκολεύτηκε τον αγαπημένο μας Spiderman!) Παρακάτω δίνεται η αντίδραση σύντηξης Δευτέριου-Τρίτου:

Ο ήλιος μας και όλα τα άλλα αστέρια σε ολόκληρο τον γαλαξία τροφοδοτούνται από αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Γι' αυτό λάμπουν εδώ και χρόνια χωρίς να μαυρίζουν ποτέ!

Πυρηνική σχάση

Η πυρηνική σχάση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ο πυρήνας ενός ατόμου διασπάται σε μικρότερα υποατομικά σωματίδια όπως ελεύθερα νετρόνια, σωματίδια γάμμα και πολλή ενέργεια. Παρακάτω δίνεται η αντίδραση πυρηνικής σχάσης ενός πυρήνα ουρανίου-235 για την παραγωγή ταχέως κινούμενων ελαφρύτερων στοιχείων.

Όπως μπορείτε να δείτε ξεκάθαρα, η πυρηνική σχάση είναι το ακριβώς αντίθετο της πυρηνικής σύντηξης. Η ομοιότητα και στις δύο διαδικασίες, ωστόσο, είναι ότι και οι δύο απελευθερώνουν τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η πυρηνική σχάση είναι η βασική αρχή πίσω από τη λειτουργία πυρηνικών όπλων όπως οι ατομικές βόμβες (ή ατομικές βόμβες ή βόμβες Α).

Τώρα που έχετε μια καλή ιδέα τόσο για τη σύντηξη όσο και για τη σχάση, ας δούμε τις σημαντικές διαφορές τους.

Nuclear Fusion vs Nuclear Fission

Φυσικό συμβάν

Οι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης συμβαίνουν σε ουράνια σώματα όπως ο ήλιος και άλλα αστέρια από μόνα τους (με την έννοια ότι δεν απαιτείται τεχνητή, εξωτερική σκανδάλη για να συμβούν), ενώ για να πραγματοποιήσετε μια αντίδραση σχάσης, πρέπει να δημιουργήσετε τεχνητά εξαιρετικά ελεγχόμενη προϋποθέσεις.

Υποπροϊόντα

Η πυρηνική σχάση παράγει πολλά ραδιενεργά σωματίδια (Πηγή εικόνας:pixabay.com)

Η σχάση απελευθερώνει έναν τεράστιο αριθμό ραδιενεργών σωματιδίων αλλά η σύντηξη παράγει λιγότερα. Ωστόσο, μπορεί επίσης να παράγει πολλά ραδιενεργά σωματίδια εάν οι συνθήκες είναι ελαφρώς «αλλαγές».

Απαίτηση ενέργειας

Η πυρηνική σύντηξη, δηλαδή το να φέρεις δύο πυρήνες κοντά μεταξύ τους για να τους κάνει να συντηχθούν ο ένας με τον άλλο, απαιτεί μια κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας, η κλίμακα της οποίας είναι άμεσα διαθέσιμη στα αστέρια. Η σχάση, από την άλλη πλευρά, μπορεί να πραγματοποιηθεί με πολύ λιγότερη ενέργεια.

Ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται

Ενώ η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη σχάση είναι ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτή των «κανονικών» χημικών αντιδράσεων, ωστόσο η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σύντηξη είναι 3-4 φορές μεγαλύτερη ακόμα από τη σχάση.

Καύσιμα

Η σύντηξη (σε ανθρωπογενείς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής) χρησιμοποιεί κυρίως ισότοπα υδρογόνου (δηλαδή δευτέριο και τρίτιο), ενώ το κύριο καύσιμο της σχάσης είναι το ουράνιο.

Απαιτούμενες προϋποθέσεις

Ενώ η σύντηξη απαιτεί περιβάλλον εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πυκνότητας, η σχάση απαιτεί νετρόνια υψηλής ταχύτητας και κρίσιμη μάζα της ουσίας.

Εφαρμογή σε πυρηνικά όπλα

Τα όπλα που κατασκευάζονται είτε από σύντηξη είτε από σχάση είναι και τα δύο πολύ καταστροφικά

Η σχάση χρησιμοποιείται σε βόμβες σχάσης ή ευρύτερα γνωστή ως «ατομικές βόμβες», ενώ η σύντηξη χρησιμοποιείται σε βόμβες υδρογόνου.

Και οι δύο αυτές διαδικασίες απαιτούν απολύτως άψογες ρυθμίσεις και μια εξαιρετικά σχολαστική εκτέλεση για να πραγματοποιηθούν σε τεχνητές ρυθμίσεις. Περιττό να πούμε ότι τέτοιες διαδικασίες είναι επίσης απίστευτα δαπανηρές. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιηθούν με ευσυνείδητο τρόπο, τόσο η πυρηνική σχάση όσο και η σύντηξη μπορούν να παρέχουν απεριόριστη ενέργεια για τη διατήρηση της ζωής στη Γη.