Warum setzen sowohl Fusion als auch Spaltung Energie frei?

Im Allgemeinen können sowohl Fusion als auch Spaltung Energie entweder erfordern oder freisetzen .

Rein klassisches Modell

Nukleonen sind an die starke (und einige schwache) Kernkraft gebunden. Die Kernbindung ist sehr kurzreichweitig; das bedeutet, dass wir uns vorstellen können, dass Nukleonen aufgrund dieser Kraft „zusammenkleben“. Außerdem stoßen sich die Protonen aufgrund ihrer elektrischen Ladung ab.

Da die Geometrie bedeutet, dass ein Nukleon nur eine begrenzte Anzahl anderer Nukleonen hat, an denen es "haften" kann, ist die Anziehungskraft pro Nukleon mehr oder weniger festgelegt.

Das abstoßende elektrische Feld hat eine große Reichweite. Das heißt, wenn der Kern wächst, wächst die Abstoßung, so dass diese Abstoßung schließlich die anziehende Wirkung übersteigt und man den Kern nicht weiter wachsen lassen kann. Daher eine begrenzte Anzahl möglicher Elemente.

Effektiv bedeutet dies, dass die Anziehungskraft pro Nukleon für eine kleine Anzahl von Nukleonen schnell ansteigt, dann ihre Spitze erreicht und zu fallen beginnt.

Entsprechend verhält sich die Bindungsenergie pro Nukleon ähnlich.

Wie @cuckoo feststellte, haben Eisen und Nickel die am stärksten gebundenen Kerne; Eisen-56 mit der niedrigsten Masse pro Nukleon und Nickel-62 mit der höchsten Bindungsenergie.

Dieses Bild (aus Wikipedia) veranschaulicht die Kurve in der typisch dargestellten Weise:

Ich stelle mir die Bindungsenergie jedoch lieber als negativ vor und stelle mir Eisen daher besser als den niedrigsten Energiezustand vor:

Für leichtere Elemente:

• Spaltung benötigt Energie
• Fusion setzt Energie frei

Für schwerere Elemente gilt das Gegenteil.

Der Grund, warum wir hauptsächlich die Freisetzungsenergiefälle beobachten, ist folgender:

• Es ist einfacher zu tun
• Es ist "nützlicher"

Die Spaltung setzt Energie frei, weil ein schwerer Kern (wie Uran-235) wie eine gespannte Mausefalle ist: Es brauchte Energie, um all diese Protonen und Neutronen hart genug zusammenzudrücken, damit sie (durch die Kernkraft) gegen die natürliche Tendenz zum kaum haften bleiben All diese Protonen fliegen aufgrund ihrer elektrostatischen Abstoßung heftig auseinander. Wenn es von einem einfallenden Neutron getroffen wird, ist es, als würde eine Maus das Auslösepedal der Falle berühren: BANG geht in den Kern.

Bei der Fusion ist der Mechanismus ein anderer: Die Kernkraft zwischen Protonen und zwischen Neutronen ist sehr stark anziehend, setzt aber erst ein, wenn sich die Teilchen so nahe beieinander befinden, dass sie sich „berühren“. Diese Anziehungskraft reicht nicht ganz aus, um zwei Protonen gegen ihre elektrostatische Abstoßung zusammenzuhalten, aber wenn Sie dem Rezept zwei Neutronen hinzufügen, erhalten Sie genug gegenseitig anziehende Kernkraft, um die Elektrostatik zu überwinden, und die Teilchen saugen sich dann mit einem sehr starken KNALL heftig zusammen.

Andere Fusionsreaktionen, bei denen die (2 Protonen plus zwei Neutronen) auf einen schwereren Kern (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, ...) gedrückt werden, setzen zunehmend weniger Energie frei, da immer mehr Arbeit erforderlich ist, um die Abstoßung zu überwinden Effekt, da der Kern mehr Protonen ansammelt. Bis Sie beim Eisen angelangt sind, verbrauchen weitere Fusionsreaktionen tatsächlich Energie, anstatt sie freizusetzen, weil der elektrostatische Abstoßungseffekt immer größer wird – und Sie befinden sich stattdessen in der Provinz der Spaltung .

Ihre Annahme über den niedrigsten Energiezustand, wenn alles fest zusammengeklebt ist, ist falsch.

Das geht nur so lange, bis man Eisenkerne bekommt - und deshalb ist Eisen das schwerste Element, das durch Fusion entsteht.

Die Erzeugung von Kernen, die schwerer als Eisen sind, verbraucht Energie, anstatt sie freizusetzen. Und deshalb entstehen diese Elemente nur bei Supernova-Explosionen und anderen hochenergetischen Ereignissen, bei denen reichlich Energie zugeführt wird.

Ich wollte eine weitere Antwort hinzufügen, um ein wichtiges Diagramm zu zeigen - Bindungsenergie pro Nukleon gegenüber der Ordnungszahl (Anzahl der Nukleonen [Protonen + Neutronen]).

Die Bindungsenergie ist die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Kern aufzubrechen. Wenn nach einer Änderung die Menge an Bindungsenergie abnimmt, müssen wir Energie zugeführt haben, um einen Kern aufzubrechen. Steigt sie dagegen an, muss sie Energie freigesetzt haben.

Wir können aus dem Diagramm ersehen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, die Bindungsenergie pro Nukleon zu erhöhen: Beginnen Sie zuerst rechts, jenseits von Eisen, und brechen Sie die Kerne auseinander, indem Sie sich nach links und die Steigung hinauf bewegen. Das ist Spaltung. Zweitens, von links beginnend, Kerne miteinander verschmelzen und den Hang nach rechts hinaufsteigen. Das ist Verschmelzung. Sie können sehen, dass die Belohnungen besonders groß sind, wenn Sie von Wasserstoff zu Helium wechseln.

Ich denke, die Frage ist jetzt: Warum ist die Handlung nicht monoton? Warum nimmt sie nicht immer zu oder ab? Ich denke, die anderen Antworten haben das bereits beleuchtet.

Fusion:
In einem kleinen Kern befindet sich ein relativ großer Anteil an Nukleonen an der Oberfläche, was die Gesamtbindungsenergie senkt. Die Verschmelzung von 2 sehr kleinen Kernen zu einem mittelgroßen Kern setzt Energie frei, vor allem weil in dem entstehenden größeren Kern weniger Nukleonen an der Oberfläche sind als vorher. Dies ist analog zum Oberflächenspannungseffekt , durch den zwei Wassertropfen aufgrund der verringerten Gesamtoberfläche verschmelzen und etwas Energie freisetzen können.

Spaltung:
In einem großen Kern gibt es aufgrund der vielen Protonen eine starke Coulomb-Abstoßung. Die Spaltung eines sehr großen Kerns in 2 mittelgroße Kerne setzt Energie frei, hauptsächlich weil die gesamte Coulomb-Abstoßung innerhalb der 2 resultierenden Kerne kleiner ist als zuvor.

Daher haben mittelgroße Kerne (~ 55 Nukleonen) die größte Bindungsenergie pro Nukleon.

Die Bethe-Weizsäcker-Formel für die Bindungsenergie eines Kerns gibt dafür eine eher quantitative Erklärung.

Ich denke, es lohnt sich, das Wort „beide“ in der Frage ausdrücklich anzusprechen. Wenn Sie sagen, „beide setzen Energie frei“, implizieren Sie einen Widerspruch, aber es gibt tatsächlich kein solches Problem. Du vergleichst Äpfel und Birnen.

Bei einer Substanz, die eine endotherme Fusionsreaktion aufweist, wird die Spaltung dieser Substanz wahrscheinlich ein rein exothermer Prozess sein. Dies gilt für Elemente, die schwerer als Eisen sind.

Für Elemente mit exothermen Schmelzreaktionen gilt das Gegenteil. Für ein bestimmtes Element wird also letztendlich nur einer der beiden Prozesse (Spaltung und Fusion) ein netto exothermer Prozess sein. Sie können sich auch diesen Beitrag von Physics SE ansehen: Sind alle Kernfusionsreaktionen exotherm und Spaltreaktionen endotherm?

Denn die Anziehung der starken Kernkraft hat eine kurze Reichweite , während die elektrostatische Abstoßung eine große Reichweite hat .

Infolgedessen wächst die elektrostatische Abstoßung mit der Anzahl der Nukleonen schneller als die nukleare Anziehung (Protonen im gesamten Kern stoßen sich gegenseitig ab, während sich nur benachbarte Nukleonen anziehen). Dies verursacht mit zunehmender Anzahl weniger Bindungsenergie pro Nukleon und erreicht irgendwann ein Maximum und beginnt abzunehmen.

Eisen hat gerade das Maximum der Bindungsenergie pro Nukleon. Daher setzt die Spaltung bei schwereren Elementen als Eisen Energie frei, während bei leichteren Elementen als Eisen die Fusion Energie freisetzt.

Dies kann nicht vollständig umgangen werden, indem mehr Neutronen hinzugefügt werden, hauptsächlich weil eine schwache Kernkraft sie instabil macht, aber es funktioniert bis zu einem gewissen Grad, weshalb schwerere Kerne normalerweise ein höheres Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis haben. Aber irgendwann ist es nicht mehr möglich, weitere Nukleonen hinzuzufügen, ohne das Ganze instabil zu machen, weshalb sehr schwere Elemente radioaktiv sind.

Hier ist eine qualitative Ansicht.

Nur bei der Fusion von Elementen, die leichter als Eisen sind, ist die Nettoenergie positiv, dh bei der Fusion wird Energie freigesetzt. Bei Elementen, die schwerer als Eisen sind, verbraucht die Fusion Energie, dh die Nettoenergie ist negativ.

Wir können heute die Kernspaltung nutzen , um Energie freizusetzen, da irgendein Prozess in der Vergangenheit (zB in einer Supernova) Energie in die schweren Kerne eingebracht hat.

Es ist Energie erforderlich, um Atome auseinander zu halten, aber auch Energie, um ein Atom zusammenzuhalten. Wenn Sie ein Atom zerschlagen, wird diese Bindungsenergie freigesetzt.

Tatsächlich ist eine der vier Grundkräfte dafür verantwortlich, Atome zusammenzuhalten – die starke Kernkraft.

Fusion funktioniert, indem die gleichen zwei Elemente zusammengeschlagen und zusammengeklebt werden, um ein neues schwereres Element zu bilden. Wenn Sie die Massen der beiden ursprünglichen Elemente addieren, ist es größer als das neue Element.

Es ist dieser Massenunterschied, der zu Energie wird. Sie können die Energiemenge aus der berühmten Einstein-Gleichung E = mc (Quadrat) berechnen. Hier ist m (2 x Masse des ursprünglichen Elements) - (Masse des neuen Elements) und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Beispiel: Zwei Wasserstoffatome bilden zusammen ein Heliumatom.

Wenn die Masse der beiden ursprünglichen Elemente schwerer wird, wird die Differenz zwischen ihren Massen und dem neuen Element kleiner.

Spaltung funktioniert, indem ein Element in zwei neue leichtere Elemente aufgeteilt wird. Wenn Sie die Massen der beiden neuen Elemente addieren, ist es kleiner als das ursprüngliche Element.

Es ist dieser Massenunterschied, der zu Energie wird. Sie können die Energiemenge aus der berühmten Einstein-Gleichung E = mc (Quadrat) berechnen. Hier ist m (Masse des ursprünglichen Elements) - (Masse der neuen Elemente) und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Ich wollte erwähnen, dass das technisch viel komplizierter ist als das, was ich hier sage. Die kurze Antwort ist immer noch dieselbe: Masse wird in Energie umgewandelt.

Wollte eine schnelle Antwort geben, aber anscheinend ist es jetzt verpönt, schnelle Antworten in Kommentaren zu geben, also hier ist es:

Grob gesagt ist die Kernspaltung für Kerne endotherm, wo die Kernfusion exotherm wäre, und umgekehrt. Für Kerne, die kleiner als Eisen sind, ist die Spaltung typischerweise endotherm, während die Fusion exotherm ist. Für Kerne, die schwerer als Eisen sind, kehrt sich die Situation um.