Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:22 • sest 21:31 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 23:11 • Sest 05:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:38 • Síðdegis: 18:56 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:39 • Síðdegis: 12:46 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvað er kjarnorka og hvernig verkar hún?

Ágúst Valfells

Til að svara þessari spurningu er best að skoða fyrst uppbyggingu frumeinda. Hún er þannig að lítill kjarni gerður úr óhlöðnum nifteindum og jákvætt hlöðnum róteindum er umlukinn neikvætt hlöðnum rafeindum. Milli kjarneindanna, en svo nefnast nifteindir og róteindir einu nafni, verkar svonefndur kjarnakraftur. Meira má lesa um þetta í svari sama höfundar við spurningunni Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi?

Fyrir fjarlægðir af sömu stærðargráðu og þvermál kjarneindanna birtist kjarnakrafturinn sem sterkur aðdráttarkraftur milli kjarneinda (hann verkar sem fráhrindikraftur á styttri vegalengdum, en fjarar hratt út yfir meiri fjarlægðir). Sökum þessa aðdráttarkrafts þarf að leggja til orku til þess að sundra kjarnanum, það er til að fjarlægja kjarneindirnar hver frá annarri þangað til að kjarnakraftur milli þeirra verður hverfandi. Þessi orka er kölluð tengiorka eða bindiorka (e. binding energy). Nota má hina vel þekktu jöfnu Einsteins um skyldleika orku og massa, E = mc2, til þess að reikna tengiorkuna, B:
B = (Z*mp + N*mn – ma)*c2,
þar sem Z er fjöldi róteinda í kjarnanum, N fjöldi nifteinda, mp massi frjálsrar róteindar, mn massi frjálsrar nifteindar, ma massi kjarnans, og c ljóshraðinn.



Á myndinni hér að ofan sést hvernig meðal-tengiorka frumeinda breytist með stærð frumeindarinnar. Lóðrétti ásinn sýnir stærðina B/A, þar sem B er tengiorkan og A er fjöldi kjarneinda í kjarna frumeindarinnar (A er einnig kölluð massatala frumeindarinnar). Lárétti ásinn sýnir massatöluna. Lögun ferilsins útskýrist meðal annars af hlutfalli yfirborðs og rúmmáls kjarnans, skammdrægi kjarnakraftanna, rafkrafta er hrinda róteindum hverri frá annarri og samhverfu kjarnans, en um það verður ekki fjallað nánar að sinni. Lögun ferilsins er samt mikilvæg til að skilja hvernig kjarnorka nýtist okkur. Eins og sjá má, nær tengiorkan hámarki fyrir járn með massatöluna 56. Það er stöðugasta frumefnið. Minnumst þess að tengiorkan er mælikvarði á það hve mikið þarf að leggja til af orku til þess að sundra kjarna. Því samsvarar minnkun á tengiorku aukningu á stöðorku og öfugt.

Af myndinni má ráða að tvær meðalstórar frumeindir (með massatölu stærri en 56) búa yfir meiri tengiorku en ein stór frumeind, sem hefur jafnmargar kjarneindir og hinar tvær til samans. Þetta veldur því að ef stór frumeind klofnar í tvær meðalstórar (kjarnaklofnun), þá eykst heildartengiorkan. Mismunurinn á þessari tengiorku er sú kjarnorka sem losnar við kjarnahvarf. Að ofan var tekið dæmi um kjarnaklofnun, þar sem orka losnaði er stór kjarni klofnar í tvo meðalstóra. Annar möguleiki er kjarnasamruni. Þar sameinast léttar frumeindir og mynda stærri kjarna. Til dæmis geta tveir tvívetniskjarnar (2H) bundist og myndað Helíum-4 (4He). Við það losnar orka því tengiorka Helíumkjarnans er meiri en samanlögð tengiorka tvívetniskjarnanna. Þar eð tengiorkuferillinn er mun brattari fyrir kjarnasamruna en fyrir kjarnaklofnun, má sjá að meiri orka losnar við kjarnasamruna en kjarnaklofnun. Eins og fram kemur í svari sama höfundar við spurningunni Hvað er kjarnorka aðallega notuð í? hefur þó enn ekki tekist að nota kjarnasamruna til raforkuframleiðslu.

Höfundur

Ágúst Valfells

lektor við verkfræðideild Háskólans í Reykjavík

Útgáfudagur

5.9.2002

Spyrjandi

Þráinn Ævarsson

Efnisorð

Tilvísun

Ágúst Valfells. „Hvað er kjarnorka og hvernig verkar hún?“ Vísindavefurinn, 5. september 2002. Sótt 24. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2580.

Ágúst Valfells. (2002, 5. september). Hvað er kjarnorka og hvernig verkar hún? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2580

Ágúst Valfells. „Hvað er kjarnorka og hvernig verkar hún?“ Vísindavefurinn. 5. sep. 2002. Vefsíða. 24. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2580>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er kjarnorka og hvernig verkar hún?
Til að svara þessari spurningu er best að skoða fyrst uppbyggingu frumeinda. Hún er þannig að lítill kjarni gerður úr óhlöðnum nifteindum og jákvætt hlöðnum róteindum er umlukinn neikvætt hlöðnum rafeindum. Milli kjarneindanna, en svo nefnast nifteindir og róteindir einu nafni, verkar svonefndur kjarnakraftur. Meira má lesa um þetta í svari sama höfundar við spurningunni Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi?

Fyrir fjarlægðir af sömu stærðargráðu og þvermál kjarneindanna birtist kjarnakrafturinn sem sterkur aðdráttarkraftur milli kjarneinda (hann verkar sem fráhrindikraftur á styttri vegalengdum, en fjarar hratt út yfir meiri fjarlægðir). Sökum þessa aðdráttarkrafts þarf að leggja til orku til þess að sundra kjarnanum, það er til að fjarlægja kjarneindirnar hver frá annarri þangað til að kjarnakraftur milli þeirra verður hverfandi. Þessi orka er kölluð tengiorka eða bindiorka (e. binding energy). Nota má hina vel þekktu jöfnu Einsteins um skyldleika orku og massa, E = mc2, til þess að reikna tengiorkuna, B:
B = (Z*mp + N*mn – ma)*c2,
þar sem Z er fjöldi róteinda í kjarnanum, N fjöldi nifteinda, mp massi frjálsrar róteindar, mn massi frjálsrar nifteindar, ma massi kjarnans, og c ljóshraðinn.



Á myndinni hér að ofan sést hvernig meðal-tengiorka frumeinda breytist með stærð frumeindarinnar. Lóðrétti ásinn sýnir stærðina B/A, þar sem B er tengiorkan og A er fjöldi kjarneinda í kjarna frumeindarinnar (A er einnig kölluð massatala frumeindarinnar). Lárétti ásinn sýnir massatöluna. Lögun ferilsins útskýrist meðal annars af hlutfalli yfirborðs og rúmmáls kjarnans, skammdrægi kjarnakraftanna, rafkrafta er hrinda róteindum hverri frá annarri og samhverfu kjarnans, en um það verður ekki fjallað nánar að sinni. Lögun ferilsins er samt mikilvæg til að skilja hvernig kjarnorka nýtist okkur. Eins og sjá má, nær tengiorkan hámarki fyrir járn með massatöluna 56. Það er stöðugasta frumefnið. Minnumst þess að tengiorkan er mælikvarði á það hve mikið þarf að leggja til af orku til þess að sundra kjarna. Því samsvarar minnkun á tengiorku aukningu á stöðorku og öfugt.

Af myndinni má ráða að tvær meðalstórar frumeindir (með massatölu stærri en 56) búa yfir meiri tengiorku en ein stór frumeind, sem hefur jafnmargar kjarneindir og hinar tvær til samans. Þetta veldur því að ef stór frumeind klofnar í tvær meðalstórar (kjarnaklofnun), þá eykst heildartengiorkan. Mismunurinn á þessari tengiorku er sú kjarnorka sem losnar við kjarnahvarf. Að ofan var tekið dæmi um kjarnaklofnun, þar sem orka losnaði er stór kjarni klofnar í tvo meðalstóra. Annar möguleiki er kjarnasamruni. Þar sameinast léttar frumeindir og mynda stærri kjarna. Til dæmis geta tveir tvívetniskjarnar (2H) bundist og myndað Helíum-4 (4He). Við það losnar orka því tengiorka Helíumkjarnans er meiri en samanlögð tengiorka tvívetniskjarnanna. Þar eð tengiorkuferillinn er mun brattari fyrir kjarnasamruna en fyrir kjarnaklofnun, má sjá að meiri orka losnar við kjarnasamruna en kjarnaklofnun. Eins og fram kemur í svari sama höfundar við spurningunni Hvað er kjarnorka aðallega notuð í? hefur þó enn ekki tekist að nota kjarnasamruna til raforkuframleiðslu....