Warum setzen fast alle Kernreaktionen Energie frei?

Wenn sie keine Energie freisetzen würden, würden sie nicht passieren. Die alternativen Kernreaktionen, die Energie benötigen, benötigen eindeutig diese Energiemenge, die irgendwo herkommen muss, z kinetische Energie ist erforderlich, um dies zu überwinden). Ohne eine Quelle, die diese Energie liefert, werden sie nicht passieren. Mit einer Quelle, die es bereitstellt, werden sie es tun; Beispielsweise werden in Supernovae Elemente produziert, die schwerer als Eisen sind.

Sehr interessante Frage!

In der Chemie verbringen Sie viel Zeit damit, über exotherme und endotherme Reaktionen zu diskutieren: Wenn Sie Ihre Reagenzien zusammenstellen, erwärmt die Reaktion manchmal die Dinge und manchmal kühlt die Reaktion die Dinge ab. Kernreaktionen sind insofern sehr unterschiedlich, als im Wesentlichen alle in Laboratorien untersuchten spontanen Reaktionen exotherm sind.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen einem Nuklearlabor und einem Chemielabor: Temperatur. Bei einer chemischen Reaktion können die beim Herstellen und Aufbrechen von Bindungen beteiligten Energieskalen einige wenige Elektronenvolt betragen. Zum Beispiel ergibt die latente Schmelzwärme von Wasser , 330 J/g, etwa 60 Milli-eV pro Molekül. Ein Wärmebad bei Raumtemperatur hat viele Phononen mit mittleren Energien in der Umgebung$kT = 25\,\mathrm{meV}$, daher ist es nicht unwahrscheinlich, ein Phonon mit 60+ meV zu finden, um eine Wasser-Wasser-Bindung zu brechen.

Im Gegensatz dazu betragen typische nukleare Anregungsenergien Millionen von eV. Endotherme Kernreaktionen laufen größtenteils nicht spontan ab, weil die Laboratorien hier auf der Erde bei Nulltemperatur arbeiten, soweit der Kern das beurteilen kann. Es gibt einfach keine Wärme, die aufgesaugt werden müsste, um die Reaktion anzutreiben.

In einer heißen Umgebung, wie dem Kern eines Sterns, sieht die Geschichte anders aus. Dort fängt man an, genug Energie zu haben, um exotherme Reaktionen mit Energiebarrieren auszulösen, wie etwa die Wasserstoff-zu-Helium-Fusion. Aber selbst in diesem Fall haben Sie keinen großen Beitrag von endothermen Reaktionen. (Wenn in den Kernen von Sternen viele endotherme Kernreaktionen ablaufen würden, würden sie die Wärme aus dem Kern saugen, bis es zu kühl wäre, um die Reaktion anzutreiben.) Es gibt ein paar Gegenbeispiele. Beispielsweise zerfällt Deuterium, wenn es ein hochenergetisches Photon absorbiert; Da Deuterium aber eine Zwischenstufe der Proton-Proton-Fusion ist, wirkt sich das Deuterium wie ein instabiler Kern aus, dessen Lebensdauer von der Temperatur abhängt.

Betrachten Sie als weiteres Beispiel die Herstellung von Uran aus Blei. Dies ist eindeutig ein endothermer Prozess, da Uran, wenn es sich selbst überlassen wird, in Blei, ein Ensemble aus Alpha- und Betateilchen und Wärme zerfallen wird. Uran wird aus Blei durch eine Reihe von Neutroneneinfängen, die Energie freisetzen, und Beta-Zerfällen, die Energie freisetzen, hergestellt; Die freien Neutronen stammen aus Fusionsreaktionen zwischen Alpha-Teilchen und Kernen mittlerer Masse, die Energie freisetzen. Alle Schritte von Blei zu Uran sind exotherm . Wie kommt es, dass eine endotherme Reaktion aus exothermen Schritten aufgebaut werden kann?

Da gibt es ein paar Dinge zu beachten. Erstens, da die Reaktion nicht im thermischen Gleichgewicht stattfindet, konkurrieren mehrere Prozesse, deren Zeitskalen berücksichtigt werden müssen. Hier ist ein Diagramm, das die Lebensdauer der beteiligten Kerne zeigt; Isotope in Schwarz sind stabil, während hellere Farben eine kürzere Lebensdauer haben:

Wenn der Neutronenfluss niedrig ist, stoppt die Elementproduktion bei Blei und Wismut: Neutroneneinfang an Wismut-209 ergibt Wismut-210, das nach einer Woche zu Polonium-210 beta-zerfällt, das nach einigen Monaten zu Blei-206 alpha-zerfällt . Man kann sich den Zyklus, in dem Blei-206 vier Neutronen absorbiert und zwei Betas und ein Alpha emittiert, als eine Art katalysierte, exotherme Fusionsreaktion vorstellen. Allerdings, wenn der Neutronenfluss hoch ist, können die instabilen Isotope selbst Neutronen absorbieren, was der Weg zu den langlebigeren Isotopen um Uran, Thorium und Radium ist. Wenn wir die radioaktive Wärme eines Uranblocks nehmen und sagen: "Diese Energie wurde hier durch einen endothermen Prozess in einem längst toten Stern gespeichert", haben wir in gewisser Weise die Umwandlung von Neutronen in Alphas unterbrochen über Blei an einer besonders langlebigen Zwischenstelle.

Der andere wichtige Unterschied zwischen endothermer Uranproduktion und endothermen Reaktionen in der Chemie besteht darin, dass die Kernreaktionen sowohl Wärme als auch Teilchen mit ihrer Umgebung austauschen; es erfordert viel mehr Sorgfalt, zwischen „dem System“, an dem wir interessiert sind, und „seiner Umgebung“, die die Wärme liefert, zu unterscheiden. Dies ist ein starker Kontrast zu einer chemischen Reaktion , bei der nur Wärme zwischen dem System und seiner Umgebung fließt und die Reaktion von ihrer Entropie angetrieben wird.

Nur die Hälfte aller Kernreaktionen setzt Energie frei. Die andere Hälfte sind die umgekehrten Prozesse, die Energie absorbieren.

Fast die Gesamtheit der spontanen Prozesse sind jedoch diejenigen, die Energie freisetzen . Prozesse, die das Einbringen von externer Energie in das System erfordern, sind viel seltener, da sie nur stattfinden können, wenn diese Energie irgendwie von außen verfügbar ist.

Wenn wir über Kernreaktionen sprechen, sind die beteiligten Energien normalerweise enorm, daher ist es ziemlich ungewöhnlich, einen nicht spontanen Prozess zu beobachten: Die Energiemenge ist fast nie verfügbar. Durch die Verwendung von Teilchenbeschleunigern sind wir jedoch in der Lage, eine große Energiemenge in ein Nuklearsystem zu schieben, wodurch nuklear-endotherme Reaktionen stattfinden können, die exotische Kerne erzeugen. In der Natur erfordern ähnliche Prozesse typischerweise einen explodierenden Stern.

Kernreaktionen werden durch das Konzept der "Entropie" geregelt. Alles in der Natur geht in einen niedrigeren oder chaotischeren Energiezustand über. Das Universum selbst tendiert zu Null Energie/Bewegung. In vielen Billionen Jahren wird das Universum thermodynamisch tot sein.

Protonen und Neutronen in einem Atom sind aneinander gebunden. Wenn ein Atom in zwei oder mehr Teile zerbricht, stellt dies einen chaotischeren Zustand als zuvor dar. Da die das Atom zusammenhaltenden Bindungen brachen, wurde die Bindungsenergie in Form von sich schnell bewegenden Teilchen und/oder elektromagnetischer Strahlung freigesetzt.

Im Grunde ist ein großes Atom wie Uran sehr ähnlich wie ein Ball, der auf einem spitzen Hügel balanciert. Die Entropie treibt es dazu, sich in einem stabileren Zustand mit niedrigerer Energie befinden zu wollen. Dieser Staat liegt am Fuße eines Tals, wo es nirgendwo hingehen kann.

Ja, Jim hat Recht, der Wikipedia-Artikel wird Ihre meisten Fragen beantworten. Trotzdem werde ich hier ein paar Fakten über Kernreaktionen auflisten und hoffe, dass diese Ihnen helfen werden

Kernreaktion hat grundsätzlich zwei Haupttypen Spaltreaktion und Fusionsreaktionen. (Es gibt auch andere Arten, ich liste nur zwei auf, um Ihre Frage in einfachen Worten zu beantworten.)

Bei der zweiten Fusionsreaktion verbinden sich leichte Kerne zu einem schweren Kern und benötigen dafür enorme Energie. Diese Reaktionen finden in Sternen statt, da sie eine hohe Temperatur benötigen, um zu beginnen.

Während bei Spaltungsreaktionen schwere Kerne in leichtere Kerne zerfallen, die Energie abgeben. Ein typisches Beispiel wird ein Kernkraftwerk sein. Alles andere können Sie auf Wikipedia lesen und Gründe für die oben genannten Dinge

Hier ist der Wikipedia-Link: http://en.m.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reaction