2. Energie uit atoomkernen

21/05/2014
2.1 Equivalentie van massa en energie
2. Energie uit atoomkernen
2.1 Equivalentie van massa en energie
Einstein:
massa kan worden omgezet in energie,
en omgekeerd
2.2 Energie per kerndeeltje in een kern
2.3 Energie uit atoomkernen
een massa in rust (m0) komt overeen met een hoeveelheid
energie (E0)
E0 = m0 . c²
E0 = rustenergie
m0 = (rust)massa
c = lichtsnelheid = 2,9979 .108 m/s
Fysica 5ASO - deel 3
1
2.2 Energie per kerndeeltje in een kern
sommige atoomsoorten komen meer voor dan andere
vb. ijzer (Fe)
vb. goud (Au)
in een kern bezitten de kerndeeltjes minder Epot
dan in ongebonden toestand
2
2.2
(want: aantrekkende kernkrachten)
Besluit: door de kernkrachten tussen alle kerndeeltjes in
een kern is de totale rustenergie van de kern kleiner dan
de totale rustenergie van de afzonderlijke kerndeeltjes
waarom?
 sleutel: verschil in energie per kerndeeltje in
verschillende kernen
energie kan worden omgezet in massa, dus
vooraf:
een lichaam evolueert spontaan naar een toestand van
minimale potentiële energie (vb. massa met hoogte)
Fysica 5ASO - deel 3
Fysica 5ASO - deel 3
door de kernkrachten tussen alle kerndeeltjes in een kern
is de totale rustmassa van de kern kleiner dan de totale
rustmassa van de afzonderlijke kerndeeltjes
3
Fysica 5ASO - deel 3
4
1
21/05/2014
2.2
energie per kerndeeltje?
2.2
= rustenergie (E0) van een kern gedeeld door
aantal kerndeeltjes (A) in die kern
Energie van een ongebonden kerndeeltje (proton)
= kleiner wanneer het kerndeeltje in een kern is
opgenomen dan wanneer het zich in ongebonden
toestand bevindt (cf. supra)
energie per kerndeeltje i.f.v. A:
kleinste energie per kerndeeltje? A = 56-60 (= ijzer, …)
Fe = heel stabiel
Fysica 5ASO - deel 3
5
2.3 Energie uit atoomkernen
Fysica 5ASO - deel 3
6
2.3.1 kernfusie
2.3.1 kernfusie
 uit lichtere kernen zwaardere kernen vormen
2.3.2 kernsplijting of kernfissie
de overtollige energie per kerndeeltje wordt vrijgegeven
(zie grafiek)
2.3.3 toepassingen van kernfusie en kernsplijting
Fysica 5ASO - deel 3
7
Fysica 5ASO - deel 3
8
2
21/05/2014
2.3.1
vb.: de zon
2.3.2 kernsplijting of kernfissie
 zware kernen splijten tot lichtere kernen
de overtollige energie per kerndeeltje wordt vrijgegeven
(zie grafiek)
H-kernen komen samen tot He-kernen
energie-overschot komt vrij als warmte en licht
Fysica 5ASO - deel 3
vb.: kernsplijtingsreactoren
9
2.3.2
Fysica 5ASO - deel 3
10
2.3.3 toepassingen kernfusie en kernsplijting
kernfusie
splijten van U235-kernen of Pu239-kernen
kern van de zon: 10 à 15 miljoen °C
 H-kernen versmelten tot He-kernen
tot kleinere kernen = meestal onstabiel
 zenden radioactieve straling uit
Fysica 5ASO - deel 3
11
Fysica 5ASO - deel 3
12
3
21/05/2014
2.3.2
kernfusie
op aarde: proberen nabootsen
2.3.2
kernfusie
kernfusiereactor
(cursus p. 24)
probleem: enkel mogelijk bij hoge temperaturen
(want grote elektrische afstotingskracht)
gassen veranderd in plasma’s (alle atomen geïoniseerd)
vaten smelten
 plasma ‘vangen’ door in zeer sterke magnetische
velden te houden
Fysica 5ASO - deel 3
13
2.3.2
kernsplijting
uraan-235-kernen beschieten met neutronen
Fysica 5ASO - deel 3
14
2.3.2
kernsplijting
uraan-235-kernen beschieten met neutronen
+ grote hoeveelheid energie!
Fysica 5ASO - deel 3
15
Fysica 5ASO - deel 3
16
4
21/05/2014
2.3.2
kernsplijting
kernsplijting
concentratie verhogen (verrijkt uranium)
2.3.2
uraan-235-kernen beschieten met neutronen
kerncentrale: mengsel van 29325 U en
238
92
U gebruiken
 … kettingreactie!
natuurlijk uraan: 0,7%
235
92
alleen deze isotopen
zijn splijtbaar
U
Fysica 5ASO - deel 3
17
Fysica 5ASO - deel 3
2.4 Massaverandering en bindingsenergie
18
2.4
vb.: deuteriumkern ( 21H )
aantal protonen: 1
aantal neutronen: 1
massa v/d kern = 2,013 551 u
massaverschil = massadefect Δm
(experimenteel bepaald)
massa v/d nucleonen:
massa proton = 1,007 276 u
massa neutron = 1,008 665 u
= 2,015 941 u - 2,013 551 u
?
= 0,002 39 u
= 2,015 941 u
som v/d massa’s v/d afzonderlijke nucleonen is niet gelijk
aan de totale massa van de kern!
Fysica 5ASO - deel 3
19
(som v/d massa’s v/d afzonderlijke nucleonen)
– (massa van de gebonden nucleonen)
Fysica 5ASO - deel 3
20
5
21/05/2014
2.4
bindingsenergie (ΔE) van een kern
2.4
= de energie die vrijkomt wanneer ongebonden
protonen en neutronen tot een kern worden
gebonden
 er ontstaat een stabielere structuur met een lagere
rustenergie
massaverschil = massadefect Δm
massa kan worden omgezet in energie (E0 = m0 . c²)
Bindingsenergie die
vrij komt
massavermindering (Δm0) te verklaren door
energievermindering (ΔE0 = Δm0 . c²)
= BINDINGSENERGIE
ΔE0 = Δm0 . c²
Fysica 5ASO - deel 3
21
om de gebonden p+ en n0 weer te scheiden:
moet aan de kern de bindingsenergie ΔE toegevoerd
worden
2.4
Fysica 5ASO - deel 3
22
2.4
voorbeeldoefening
 cursus p. 28-29
 hoe hoger de bindingsenergie v/e kern,
hoe meer energie er is vrijgekomen bij de vorming ervan
 hoe meer energie er zal moeten toegevoerd worden
om de kern terug te splitsen
bindingsenergie per kerndeeltje:
bindingsenergie v/e kern
aantal kerndeeltjes in die kern
Fysica 5ASO - deel 3
=
ΔE0
A
23
Fysica 5ASO - deel 3
24
6
21/05/2014
2.5 Oefeningen
 cursus p. 29
Fysica 5ASO - deel 3
25
7