การแยกตัวและการรวมตัวของนิวเคลียส

การแยกตัวและการรวมตัวของนิวเคลียสปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากโดยการจัดเรียงนิวคลีออนใหม่ให้อยู่ในโครงสร้างที่ยึดเหนี่ยวกันแน่นขึ้น โดยการแยกนิวเคลียสหนักออก หรือการรวมนิวเคลียสเบาเข้าด้วยกัน

Definition

การแยกตัวของนิวเคลียส (Nuclear fission) คือการแบ่งตัวของนิวเคลียสหนักออกเป็นชิ้นส่วนที่เบากว่า ซึ่งมักจะมาพร้อมกับการปล่อยนิวตรอนและพลังงาน ในขณะที่การรวมตัวของนิวเคลียส (Nuclear fusion) คือการรวมตัวของนิวเคลียสเบาเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่าพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน ทั้งสองกระบวนการนี้เปลี่ยนความแตกต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสให้เป็นพลังงานที่นำไปใช้ประโยชน์ได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการแยกตัวของนิวเคลียสหนัก เช่น ยูเรเนียมและพลูโทเนียม ออกเป็นชิ้นส่วนที่เบากว่า พร้อมกับการปลดปล่อยนิวตรอนและพลังงาน และการรวมตัวของนิวเคลียสเบา เช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจน เข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า โดยจะกล่าวถึงแบบจำลองหยดของเหลวของการแยกตัว ปฏิกิริยาลูกโซ่และภาวะวิกฤต อุปสรรคคูลอมบ์ที่การรวมตัวต้องเอาชนะ และเงื่อนไขสำหรับการปลดปล่อยพลังงานนิวเคลียร์แบบควบคุมได้และแบบระเบิด

Core questions

• นิวเคลียสหนักแยกตัวได้อย่างไร และพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาและจำนวนนิวตรอนถูกกำหนดได้อย่างไร?
• ต้องมีเงื่อนไขใดบ้างในการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ควบคุมได้?
• นิวเคลียสเบาสามารถเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตซึ่งกันและกันเพื่อรวมตัวกันได้อย่างไร?
• เหตุใดการรวมตัวของนิวเคลียสจึงเป็นพลังงานขับเคลื่อนดวงดาว แต่ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะทำให้เกิดขึ้นบนโลก?

Key concepts

• ชิ้นส่วนจากการแยกตัวและการปล่อยนิวตรอน
• ปฏิกิริยาลูกโซ่และภาวะวิกฤต
• อุปสรรคการแยกตัวของนิวเคลียส
• อุปสรรคคูลอมบ์ในการรวมตัวของนิวเคลียส
• วัฏจักรโปรตอน-โปรตอนและวัฏจักร CNO
• การปลดปล่อยพลังงานและเส้นโค้งพลังงานยึดเหนี่ยว

Key theories

ทฤษฎีหยดของเหลวของการแยกตัวของนิวเคลียส

Bohr และ Wheeler จำลองการแยกตัวของนิวเคลียสเป็นการเปลี่ยนรูปและการแยกตัวของหยดของเหลวที่มีประจุ ซึ่งอธิบายการแข่งขันระหว่างแรงตึงผิวและแรงผลักคูลอมบ์ที่กำหนดอุปสรรคการแยกตัวของนิวเคลียส

วัฏจักรการรวมตัวของนิวเคลียสในดาวฤกษ์

Bethe ระบุว่าวัฏจักรโปรตอน-โปรตอนและวัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจนเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของนิวเคลียสที่ขับเคลื่อนดาวฤกษ์ โดยเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน

Clinical relevance

การแยกตัวของนิวเคลียสเป็นพลังงานขับเคลื่อนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ และผลิตไอโซโทปทางการแพทย์และอุตสาหกรรม ในขณะที่การรวมตัวของนิวเคลียสขับเคลื่อนดวงอาทิตย์และดวงดาว และกำลังถูกศึกษาในฐานะแหล่งพลังงานสะอาดขนาดใหญ่ที่มีศักยภาพในการทดลองกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็กและความเฉื่อย

History

การแยกตัวของนิวเคลียสถูกค้นพบทางเคมีโดย Hahn และ Strassmann ในปี 1938 และถูกตีความโดย Meitner และ Frisch ในปี 1939 โดย Bohr และ Wheeler ได้นำเสนอทฤษฎีกลไกในปีเดียวกัน ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์และอาวุธอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน Bethe ได้อธิบายในปี 1939 ว่าการรวมตัวของนิวเคลียสเป็นพลังงานขับเคลื่อนดวงดาว และการแสวงหาการรวมตัวของนิวเคลียสบนโลกที่ควบคุมได้ยังคงดำเนินต่อไปนับตั้งแต่นั้นมาในฐานะความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่สำคัญ

Key figures

• Lise Meitner
• Otto Frisch
• Niels Bohr
• Hans Bethe

Seminal works

• meitner1939
• bohrwheeler1939
• bethe1939

Frequently asked questions

ปฏิกิริยาลูกโซ่คืออะไร?

ในการแยกตัวของนิวเคลียส นิวเคลียสที่แยกตัวแต่ละตัวจะปล่อยนิวตรอนที่สามารถกระตุ้นการแยกตัวเพิ่มเติมได้ หากโดยเฉลี่ยแล้วนิวตรอนที่ปล่อยออกมาอย่างน้อยหนึ่งตัวกระตุ้นการแยกตัวอีกครั้ง ปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปเองในลักษณะปฏิกิริยาลูกโซ่ ซึ่งเป็นพื้นฐานของเครื่องปฏิกรณ์และอาวุธ

เหตุใดการรวมตัวของนิวเคลียสจึงทำได้ยากกว่าการแยกตัวของนิวเคลียส?

การรวมตัวของนิวเคลียสต้องอาศัยการนำนิวเคลียสที่มีประจุบวกเข้ามาใกล้กันมากพอที่จะรวมตัวกันได้ ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต ในทางตรงกันข้าม การแยกตัวของนิวเคลียสสามารถเริ่มต้นได้ด้วยนิวตรอนช้าโดยไม่มีอุปสรรคดังกล่าว