נוסח השאלה המקורי: האם בהיתוך גרעיני משתחררת יותר אנרגיה מביקוע?

היתוך גרעיני וביקוע גרעיני הם שני תהליכים הפוכים זה לזה, שמתרחשים בגרעין של האטומים (כמו שהשם מרמז): בתהליך של היתוך גרעיני גרעינים של שני אטומים מתאחדים / מתאחים / 'ניתכים' יחדיו לאטום אחד (שכמובן כבד יותר מכל אחד מהאטומים שיצרו אותו, כי נוצר מחיבור שלהם). המילה 'היתוך' היא רק מטאפורה לתהליך, ואין קשר בין היתוך גרעיני לבין היתוך רגיל – בו חומר במצב מוצק הופך לנוזל. המילה ניתנה בגלל שבאופן כללי תהליך ההיתוך הגרעיני דומה לתהליך בו מתיכים יחד (בכור היתוך) כמה מתכות שונות יחדיו ליצירת תערובת מתכתית או 'סגסוגת' אחידה.


דוגמא לתהליך היתוך גרעיני בו איזוטופים של האטום מימן (H) הופכים לאטום הליום (He), תמונה באדיבות ויקיפדיה

בתהליך של ביקוע גרעיני – גרעין של אטום כבד מתפצל / נשבר / מתבקע ויוצר שני אטומים אשר כל אחד בנפרד, כמובן, קל יותר מהאטום המקורי.
ומדוע נפלטת בכלל אנרגיה בתהליכים הללו? ובכן אם מסתכלים בטבלא של משקלים של אטומים, רואים שאף אטום אינו שוקל בדיוק כמו הסכום של החלקיקים המרכיבים אותו או כמו מכפלה שלמה של אטום אחר. לדוגמא, אטום של פחמן 12 (שמכיל בגרעין 6 פרוטונים, בעלי מטען חשמלי חיובי, ו-6 נייטרונים, בעלי מטען חשמלי נייטראלי) שוקל בדיוק 12.000000000 (כך הוגדר, כלומר אטום הפחמן הוא משקולת היחס יחסית לשאר האטומים, בעבר אטום היחוס היו חמצן וגם מימן, אולם בגלל הנפוצות הרבה של תרכובות הפחמן הוחלט בסוף שהפחמן יהווה את משקל היחוס לכל האטומים האחרים). עכשיו, על פי ההגיון הידוע מחיי היום-יום, היינו מצפים שאטום ליתיום 6 (שמכיל בגרעין 3 פרוטונים ו-3 נייטרונים, בדיוק מחצית מהפחמן) ישקול בדיוק 6, אבל הוא שוקל 6.015122794 ! הסיבה איננה טעות בשקילה (כפי שחשבו בעבר) אלא ביטוי לשוני פיזיקלי עמוק יותר, כפי שגילה הפיזיקאי הנודע אלברט אינשטיין. השוני במשקלים הוא ביטוי לכך שתכולת האנרגיה של כל גרעין אטום שונה (כל חלקיק וחלקיק בגרעין נמצא במצב אנרגטי אחר כאשר נמצא בסביבה שונה). ומה הקשר בין תכולת אנרגיה לבין משקל / מסה? ובכן, איינשטיין מצא שמסה ואנרגיה הם שני גדלים שיכולים לעבור מאחד לשני (מסה שקולה לאנרגיה, ואנרגיה שקולה למסה) כפי שמבוטא במשוואה:

E=mc2

כאשר, E – זה האנרגיה, m – זה המסה, ו-c2 – הוא מהירות האור בחזקת שתיים, (והוא למעשה יחס ההמרה בין מסה לאנרגיה, כיוון שמהירות האור מאוד גבוהה המשמעות היא שכל מסה שווה לכמות אדירה של אנרגיה). כפי שרואים במשוואה, המסה מופיעה סתם כ-m, ולא חשוב באיזה מסה (של איזה אטום) מדובר. אם שוקלים בדיוק את המגיבים והתוצרים של תהליכי היתוך גרעיני וביקוע גרעיני פולטי אנרגיה, רואים כי משקל התוצרים המדוייק, נמוך ממשקל המגיבים המדוייק (כפי שנראה מיד), המשקל ש'נעלם' בתהליך הופך לאנרגיה (ואחראי לפליטת האנרגיה), ככל שיותר מסה נעלמת, כך פליטת האנרגיה גדולה יותר. נבחן לדוגמא תהליך היתוך גרעיני ותהליך ביקוע גרעיני ונבדוק באיזה תהליך יותר מסה 'נעלמת' (= יותר אנרגיה נפלטת).

לדוגמא תהליך היתוך גרעיני שמתרחש ב'פצצת מימן' (וגם פצצת נייטרון, לצורך העניין) בו גרעין של אטום מימן 2 (שמכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד, מכונה דאוטריום, ומסומן באות D) ניתך גרעינית עם גרעין של אטום מימן 3 (שמכיל פרוטון אחד ושני נייטרונים, מכונה טריטיום, ומסומן באות T) לקבלת אטום הליום (He) אחד (עם 2 פרוטונים ו-2 נייטרונים) ונייטרון אחד חופשי (התהליך המופיע בציור למעלה).

משוואת התהליך היא: D + T ---------------> He + n מסות המגיבים והתוצרים
(כיוון שמדובר בשינויים קלים, יש להקפיד ולרשום כמה ספרות שרק אפשר אחרי הנקודה):

4.00260325 + 1.00866492 < ---------------  3.01604928 + 2.01410178
ובסה"כ מסות המגיבים: 5.03015106, מסות התוצרים: 5.01126817, וההפרש במסות האטומיות הוא: 0.01888289, שזה יוצא 0.38% (=0.01889/5.03015*100) ממסת המגיבים שנעלמת בתהליך. זהו הגודל החשוב מבחינתינו, משמעו שמכל ק"ג של תערובת מגיבים, 3.8 גרמים "הופכים", או יותר מדוייק לומר - נפלטים כאנרגיה לסביבה (כיוון שכל יחידה של מסה אטומית שוות ערך ל- 931 מיליון אלקטרון וולט, התהליך כולו פולט 17.5 מיליון אלקטרון וולט).

נעשה את אותו חישוב לתהליך ביקוע, למשל תהליך ביקוע של אטום אורניום 235 שמתרחש ב'פצצת אטום' מבוססת אורניום, או בכורים גרעיניים. תהליך ביקוע לדוגמא (אפשריים תהליכי ביקוע רבים), בו אטום אורניום (U) מתבקע באמצעות נייטרון (n) לאטום של קריפטון (Kr) , אטום של בריום (Ba), ושלושה נייטרונים, משוואת התהליך היא:
235U + n ---------------> 92Kr + 141Ba + 3n
מסות המגיבים והתוצרים המדוייקת, עם כל הספרות אחרי הנקודה:

 1.00866492*3+ 140.914411+  91.926156 <----- 235.043930 + 1.00866492 ובסה"כ מסות המגיבים: 236.05259492, מסות התוצרים: 235.86656176, וההפרש במסות האטומיות הוא: 0.18603316, שזה יוצא 0.079% בלבד ממסת המגיבים שנעלמת בתהליך (=נפלטים כאנרגיה החוצה), כלומר, מכל ק"ג של אורניום, נעלמים 0.79 גרמים של חומר "בלבד". (כתבתי את המילה בלבד במרכאות כפולות, כי על פי החישובים, מסה נמוכה יותר של חומר (0.6 גרם), כמו המסה של קיסם שיניים, שהשתחררה כאנרגיה, הספיקה להחריב עד היסוד את העיר היפנית הירושימה במלחמת העולם השנייה, ולהרוג כ-150 אלף בני אדם, זוהי דוגמא לכמה אנרגיה נושא בתוכו החומר).


מה שנותר מהעיר הירושימה אחרי הטלת פצצת האטום (ביקוע גרעיני של אורניום) עליה, 1945

כפי שרואים, תהליך ההיתוך הגרעיני באמת שיחרר יותר אנרגיה מתהליך הביקוע הגרעיני (יותר מסה נעלמה בו, 0.38% לעומת 0.079%).

אבל זו רק דוגמא אחת, השאלה היא האם היא מייצגת? בגרף הבא מוצגת המסה הממוצעת של חלקיק בגרעין כפונקציה של המספר האטומי של האטומים השונים (כולל האיזוטופים הנפוצים שלהם, כלומר – אטומים עם מספר פרוטונים זהה אבל מספר נייטרונים שונה). המסה הממוצעת חושבה על ידי חלוקת המסה האמיתית המדוייקת של האטום, במספר החלקיקים שבו (למשל, עבור אורניום 235, המסה הממוצעת של חלקיק בגרעין היא 235.04393/235=1.00019)
כיוון שמסה = אנרגיה, ציר ה-y מייצג בעצם כמה אנרגיה פוטנציאלית-גרעינית יש באטום. אנרגיה תיפלט – רק אם חלקיק במסה גבוהה יהפוך לחלקיק במסה נמוכה. בגרף רואים מינימום באיזור מספר אטומי 26 (ברזל Fe, הוא באמת הגרעין היציב ביותר).

כלומר – כדי לפלוט אנרגיה בתהליך גרעיני, או שאטומים קלים מברזל צריכים לעבור היתוך גרעיני (צד שמאל של הגרף) או שאטומים כבדים מברזל צריכים לעבור ביקוע גרעיני (צד ימין של הגרף). רואים שהשיפוע הימני מתון בהרבה מהשיפוע השמאלי, או במילים אחרות– בתהליכי ביקוע השינוי במסות הרבה יותר מתון מבתהליכי היתוך, כלומר – הדוגמא אכן הייתה מייצגת, והתשובה לשאלה היא כן, תהליכי היתוך גרעיני אכן פולטים יותר אנרגיה מתהליכי ביקוע. (ובאמת פצצת מימן חזקה בהרבה מפצצת אטום, פצצת מימן אחת שוות ערך בעוצמתה ל-2000 פצצות שהוטלו על הירושימה... שלא נדע...זאת עוצמה שאי אפשר לתפוס, מהצד החיובי של העניין, אם האנושות תצליח לנצל את האנרגיה של ההיתוך הגרעיני להפקת חשמל, אזי תמו כל בעיות האנרגיה של האנושות לתמיד, כי מימן יש בכמויות בלתי מוגבלות בפועל בכדור-הארץ, וממילא דרוש ממנו כל-כך מעט כדי להפיק כל-כך הרבה אנרגיה).

- אתר וולפרם-אלפא, המציג גדלים פיזיקלים של היסודות השונים (ועוד הרבה מידע פיזיקלי רב-ערך)

- שימו לב: מידע נוסף בנושא - בפורום השאלות והתשובות, בתחתית השאלה

ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.


 

50 תגובות

  • יגאל

    משקל האורניום בפצצת הירושימה

    כתבת כימשקל האורניום בפצצת הירושימה היה רק 0.6 גרם.
    האמנם ?
    בויקיפדיה מדברים על כמה עשרות ק"ג.
    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%99%D7%9C%D7%93_%D7%A7%D7%98%D7%9F
    אודה להסבר.

  • אבי סאייג

    פצצת הירושימה הרחבה

    בפצצת האורניום בהירושימה אכן היו כמה עשרות קילוגרמים של אורניום, אולם היעילות של הפצצה הייתה נמוכה מאוד, ורק כמות קטנה ממנו, פחות מ-1 ק"ג אורניום באמת עבר ביקוע גרעיני ושחרר אנרגיה. כאשר עושים את החישוב מה היה אובדן המסה בפצצת הירושימה רואים כ-0.6 גרמים של חומר השתחררו כאנרגיה. כלומר אם נאמר 750 גרם אורניום עברו באמת ביקוע גרעיני בסך הכל, אז מסות התוצרים שלהם היו 749.4 גרם, כלומר 0.6 גרם השתחררו כאנרגיה שהספיקה להחריב את הירושימה.
    בעקבות השאלה שלך שיניתי טיפה את הניסוח בכתבה, מקווה שעכשיו זה כתוב פחות מבלבל. בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • גיל

    שאלה על קרינה

    האם יש הבדל בכמות הקרינה שנפלטת משני סוגי הפצצות? אם כן מה משפיע על כך - האם כמות הקרינה מושפעת מכמות האנרגיה שנפלטת או מגורמים אחרים?
    האם (אפילו באופן תיאורטי) ניתן לייצר פצצה גרעינית שלא תייצר קרינה?
    תודה

  • אבי סאייג

    פעמיים קרינה

    האנרגיה מהפצצות משתחררת גם בצורה של קרינה וגם בצורה של חום (תנועה של חלקיקים) - באותו סדר גודל בערך. אבל בכל מקרה ככל שהפצצה יותר עוצמתית היא גם תפלוט יותר קרינה.
    בנוסף לקרינה שנפלטת ברגע הפיצוץ, ישנה קרינה שנפלטת מתוצרי הפצצה, מהחומרים הרדיואקטיבים שמתפזרים בעקבות הפיצוץ ולזמן ארוך אחריו, מהבחינה הזו - תוצרי פצצת מימן נקיים. אבל כיוון שפצצת מימן מכילה בתוכה בעצם חלק של ביקוע גרעיני (פצצת אטום) גם היא למעשה מכילה את אותה בעיה. כך שאי אפשר לייצר פצצה גרעינית שלא תייצר קרינה וגם זיהום. בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • יניב

    שאלה

    מצטרף לברכות.מאמר מצוין!!! תודה.
    1. איך אלברט אינשטיין מצא את יחס ההמרה בין אנרגיה למסה? C^2. מה ההוכחה לכך?
    2.אם פרוטונים בעלי מטען חיובי דוחים זה את זה מה מחזיק אותם בתוך הגרעין של האטום? מדוע תהליך הביקוע דורש כל כך הרבה אנרגיה?
    3. תוכל להסביר מה היא בעצם הקרינה הרדיו אקטיבית? מדוע לא ניתן לנטרל אותה על ידי פעולה כימית כל שהיא.

  • אבי סאייג

    תשובות באתר

    <p>
    שלום יניב,</p>
    <p dir="RTL">
    תודה על הברכות. בקשר לשאלותיך, כולן נענות בהרחבה (כזו או אחרת) בכתבות אחרות באתר שלנו &ndash; אני מוסיף קישורים:</p>
    <p dir="RTL">
    1.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; בקיצור. איינשטיין פיתח את המשוואה מתוך פיתוח של מדען אחר, בשם לורנץ &ndash; שהצליח לספק הסבר מתמטי לניסוי שהראה שמהירות האור לא מתחברת למהירות כדור הארץ. <span dir="RTL">זה היה ה&#39;טריגר&#39; ממנו הצליח איינשטיין לבודד את המשוואה.</span> ממליץ לראות את הכתבה שלנו &#39;<a href="http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/physics/%D7%AA%D7%95%D7... target="_blank">תורת היחסות בחמש דקות</a>&#39;. אם מעניין אותך הפיתוח המתמטי המלא תצטרך לקנות ספר לימוד בפיזיקה &ndash; או שתראה <a href="https://he.wikipedia.org/wiki/E%3Dmc%C2%B2" target="_blank">הערך על משוואת זו בוויקיפדיה</a>. (הפיתוח המלא הוא מעבר להיקף של כתבה באתר, הוא אחד מליבותיה של תורת היחסות). ישנו גם ספר מדע פופולארי הנושא את שם המשוואה ועוסק רק בהסברים עליה, חפש אותו בחנויות אם זה מעניין אותך.</p>
    <p dir="RTL">
    2.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; בגלל כוח הנקרא הכוח הגרעיני החזק &ndash; שמושך אותם זה לזה (ומושך גם את החלקיקים הבונים אותם זה לזה, וגם את הפרוטונים לנייטרונים). ראה באתרנו סדרת כתבות על <a href="http://davidson.weizmann.ac.il/category/%D7%AA%D7%92%D7%99%D7%95%D7%AA-%... target="_blank">הכוח הגרעיני החזק</a>.</p>
    <p dir="RTL">
    3.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; קרינה רדיו אקטיבית מתחלקת למספר סוגים, ראה הכתבות שלנו על <a href="http://davidson.weizmann.ac.il/online/tikshuv/physics/%D7%93%D7%A2%D7%99... target="_blank">דעיכה רדיו אקטיבית (קרינה רדיו אקטיבית) אלפא</a>, ועל <a href="http://davidson.weizmann.ac.il/online/tikshuv/physics/%D7%93%D7%A2%D7%99... target="_blank">דעיכה רדיו אקטיבית (קרינה רדיו אקטיבית) ביתא</a>. <span dir="RTL">וכתבה על <a href="http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/physics/%D7%94%D7%90%D7%... target="_blank">סוגי קרינות</a>.</span></p>
    <p dir="RTL">
    בברכה</p>
    <p dir="RTL">
    ד&quot;ר אבי סאייג<br />
    מכון דוידסון לחינוך מדעי<br />
    מכון ויצמן למדע</p>

  • יניב

  • בן

    פצצת אטום

    אם אפשר להפיק פצצת אטום מאורניום 235 למה איראן (וגם ישראל) בונות כורים כדי לייצר פלטוניום? אם יותר קל פשוט להשתמש באורניום (אך פחות חסכוני, אולי זה כי הם פרסים :))

  • יובל

    אורניום ופלוטוניום

    פצצת פלוטוניום במנגנון קריסה (IMPLOSION) הרבה יותר יעילה. האב טיפוס היתה פצצת "איש שמן " שהחריבה את נגסקי והיא הבסיס לכל הפצצות המודרניות. היום המגנון משופר וכולל boosting.
    לכן ארהב ורוסיה מזמן לא מתעסקות בפצצות אורניום.
    מה היתרון בפצצת אורניום- אפשר לבנות כך נשק gun type" בדומה לפצצת הירושימה. זהו נשק הרבה פחות יעיל אבל הרבה יותר פשוט. עד כדי כך שלא ניסו אותו לפני הפצצת הירושימה.
    לסיכום מדינות מפותחות עם יכולת לבצע ניסויים גרעיניים ילכו על פצצת קריסה מפלוטוניום.
    למדינות בתחילת הדרך עם יכולת מוגבלת לניסויים פצצת "תותח" מאורניום מועשר יכולה להתאים יותר.

  • אבי סאייג

    אורניום ופלוטוניום

    אכן, אפשר להשתמש באורניום 235 או בפלוטוניום כדי ליצר פצצת אטום. אגב, המדענים האמריקנים במלחמת העולם השנייה הבינו את זה ששני החומרים יכולים לשמש לכך, והלכו אכן על שני המסלולים. ששניהם הסתיימו בפצצות אטום. הפצצה שהוטלה על הירושימה (כונתה "ילד קטן") הייתה בנוייה מאורניום, והפצצה שהוטלה על נגסאקי ("איש שמן") – הייתה פלוטוניום. מסיבות שונות (בעיקר מבנה הפצצה) הניצולת הייתה נמוכה יותר בפצצת האורניום, ולכן דרשה יותר אורניום בהשוואה לפלוטוניום.
    לגבי אירן והמסלול שהיא בוחרת – ממה שאני מבין מהתקשורת היא דווקא בוחרת לאחרונה במסלול של העשרת אורניום, הכור שבנתה הוא לצרכי חשמל, ממנו קשה להפיק פלוטוניום. אני לא יודע מה אתה מגדיר קל – שני המסלולים כוללים אתגרים מדעים וטכנולוגים רבים, הן בהפקת החומר, הפרדתו, והן ביצור נשק ממנו. יכול להיות שהשיקולים שלה אחרים – כמו יכולת הסתרה של מפעלי היצור? אינני כלכלן, אך נראה לי שבהינתן שיש כור – אז מסלול הפלוטוניום זול יותר.
    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אודי

    שאלת הבהרה לאחת התשובות שניתנה

    אבי שלום,
    גם אני מצטרף למברכים על המאמר המעניין והכתוב בשפה ברורה ונהירה לכל ועל התשובות הענייניות. ישר כח!!!
    תשובה אחת שנתת נראית לי קצת סותרת את המאמר:
    ענית לשאלתו של אורן (ב־ד', 06.03.2013 , 21:41.), כי תמיד מסת אטום קטנה ממסת הגורמים המרכיבים אותו, אולם במאמר נתת דוגמה לאטום ליתיום 6 (שמכיל בגרעין 3 פרוטונים ו-3 נייטרונים, בדיוק מחצית מהפחמן), שהיינו מצפים שישקול בדיוק 6, אבל הוא שוקל 6.015122794 , כלומר מסת האטום גדולה ממסת הגורמים המרכיבים אותו. תוכל להסביר בבקשה?

  • אבי סאייג

    המסה של חלקיקים תת אטומיים..

    תודה אודי על הברכות.

    בקשר לשאלתך - שים לב שמסה של חלקיקים תת אטומיים חופשיים היא לא אחת! – אלא יותר מ-1, למשל מסת נייטרון היא 1.00866, ומסת פרוטון 1.00728, ולכן – לפי חשבון פשוט מסה של אטום ליתיום 6 (שמכיל 3 פרוטונים ו-3 נייטרונים) צריכה להיות: 6.04782 וכמו שרואים זה הרבה מעל משקל ליתיום 6 בפועל 6.0151.
    מה שכתבתי הוא מדוייק – תמיד, בכל אטום, המסה שלו נמוכה יותר ממסת החלקיקים התת אטומים הבונים אותו.

    אם אתה תוהה – מי 'המשקולת' שלפיה שוקלים את האטומים והחלקיקים (כפי שאפשר להבין מהמשקלים הלא-שלמים של פרוטונים ונייטרונים הם לא המשקולת השוואה). אזי הגדירו כי אטום פחמן 12 12C– משקלו הוא בדיוק 12.00000000000000 – וכל שאר האטומים והחלקיקים נשקלים לפיו.
    (בחרו באטום הפחמן להיות בעל משקל שלם – מטעמי נוחות – כי מספר תרכובות הפחמן הוא הגדול ביותר בטבע, בהשוואה לכל שאר היסודות בעולם).

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אייל

  • נטע

    קרינה רדיואקטיבית

    תודה על המאמר המעניין.
    שאלתי היא האם משתחחרת קרינה רדיואקטיבית כתוצאה מהיתוך גרעיני בפצצת מימן למשל?

  • אבי סאייג

    בהחלט

    חלק מאנרגיה שמשתחררת בזמן היתוך גרעיני - משתחררת באמצעות קרינה אלקטרומגנטית באנרגיות גבוהות מאוד, וחלק - באמצעות אנרגיה קינטית (תנועה של חלקיקים) שכאשר הם מתנגשים זה בזה - גם הם יכולים ליצור קרינה מיננת כמו קרני רנטגן.

    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אורן

    מספר שאלות

    1)ידוע כמובן שעל מנת שהיתוך יתרחש צריכים להשקיע הרבה הרבה אנרגיה (כדי להתחבר על הדחייה החשמלית בין הגרעינים החיוביים). האם התהליך שווה את זה? ניסוח אחר, האם האנרגיה המשתחררת בתהליך גדולה יותר מזו שהושקעה, ואם כן אז באיזה סדר גודל?
    2)כשמדברים על מסה אטומית של אטום כלשהו, מתייחסים רק למסה שנמצאת בגרעין שלו או גם לאלקטרונים? (נכון, מצד אחד המסה של האלקטרונים זניחה לעומת מסת הגרעין, אך מצד שני המשוואה של איינשטיין מוכיחה עד כמה מסה כלשהי קטנה ככל שתהיה חשובה).
    3)מסת אטום הליום, קטנה מהמסה שמתקבלת מסכימת הגורמים שמרכיבים אותו, בעוד מסת אטום ליתיום גדולה מהמסה שמתקבלת מסכימת הגורמים שמרכיבים אותו. מדוע הדבר קורה ובמה זה תלוי?

  • אבי סאייג

    מספר תשובות

    1) כן, ובסדרי גודל אדירים (ע"ע פצצת מימן...) בפצצת מימן משתמשים באנרגיה מפצצת אטום כדי לבצע את ההיתוך, ואכן בסה"כ נפלטת אנרגיה רבה מאוד (פי-100 מפצצת אטום, כלומר התהליך 'שווה' את זה מאוד).
    2) מסה אטומית כוללת גם את מסת האלקטרונים. מתחילים להשפיע על המסה בסביבות הסיפרה השלישית אחרי הנקודה (כי אלקטרון קל בערך פי 2000 מפרוטון)
    3) גם מסת ליתיום קטנה ממסת הגורמים המרכיבים אותו, אתה צריך להסתכל על מסות האיזוטופים הספציפיים, (לליתיום יש איזוטופ 6 ואיזוטופ 7), ולא על המסה שמופיעה בטבלה מחזורית שהיא ממוצע משוקלל של שתי המסות, לפי תפוצת האיזוטופים בטבע. וזה כנראה מה שהטעה אותך.
    אתה יכול לחפש באתר להסבר מה זה איזוטופים.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אורן

    האם זה נכון?

    ראשית תודה רבה על התשובה המפורטת.. ועל מנת שאני יהיה בטוח, אז ניתן להגיד שתמיד מסה של אטום קטנה ממסת הגורמים שמרכיבים אותו?

  • אבי סאייג

    ראה את גרף המסות

    כן, זה נכון, ראה את גרף המסות - כל המסות היחסיות של חלקיקים בגרעין מתחת מסה אטומית יחסית של 1.008 - שהיא מסת פרוטון או נייטרון, כלומר תמיד מסת אטום קטנה ממסת הגורמים המרכיבים אותו (וזה מבטא בעצם את יציבות הגרעין).

  • בניה קורן

    פצצת מימן מוקטנת

    האם יש הגבלות ביחס לגודלן של פצצות אטום ומימן?
    האם למשל אפשר ליצר פצצה מאוד קטנה מאחד מהסוגים הנ"ל שתשחרר אנרגיה שמספיקה להרוס בניין אחד בלבד?

  • אבי סאייג

    יש הגבלת גודל

    ישנה 'מסה קריטית' - מסה של חומר בקיע שמתחתיו לא תתאפשר פצצת אטום. מבחינה מעשית המשמעות של המסה הקריטית היא שאין פצצת אטום קטנה.
    (כי אפילו המסה הקטנה ביותר האפשרית זה כבר פצצה חזקה בצורה בלתי רגילה).

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • יובל

    פצצות קטנות

    בשנות ה50 האמריקאים בנו פגז גרעיני טקטי בשם "דיווי קרוקט " בעוצמה מינימלית של בערך 10טון ט.נ.ט. עם אופציה עד קילוטון אחד.
    היום הנשק לא בשימוש אבל היכולת קיימת. https://en.wikipedia.org/wiki/Davy_Crockett_(nuclear_device)

  • אבי סאייג

    10 -20 טון חומר נפץ זה עדיין פיצוץ גדול מאוד :-)

    <br />

  • קובי

    מספר תהיות

    אקדים ואומר תודה רבה על המאמר שכתוב בצורה ברורה גם עבור הדיוטות כמוני, סוף סוף יש לי סדר בנושא מרתק זה.
    כתבת שישנם תהליכי ביקוע אפשריים רבים. האם תהליך הביקוע הוא רנדומלי-סטוכסטי? במידה וכן האם תהליכים מסויימים (נניח זה שהבאת בדוגמא) הינם בעלי הסתברות גבוהה יותר או שכולם שווי הסתברות? האם בכל זאת ניתן "לכוון" את אופן הביקוע כך שהתוצאה תהיה דטרמיניסטית, לפחות באופן חלקי? והאם יש מספר סופי של תהליכים אפשריים?
    רוב תודות

  • אבי סאייג

    תשובות

    שלום קובי, אני שמח לקרוא שהמאמר ברור.
    תשובות לתהיותך
    תהליך הביקוע הוא אכן רנדומלי, ישנם תהליכים שהם בעלי הסתברות רבה יותר מאחרים (ולכן לפיצוץ גרעיני יש 'חתימה' של יסודות רדיו-אקטביים ביחסים מסויימים שמאפיינת אותו).
    לא ידוע לי על שיטה שיכולה לכוון בפצצה את התוצרים לכיוון הרצוי.
    כיוון שבסך הכל מספר החלקיקים נשמר - ואיך חלקי חלקיקים (אין חצי פרוטון), מבחינה מתמטית יש מספר סופי של קומבינציות ששומר על מספר החלקיקים הראשוני בחומר שמתבקע (אורניום או פלוטוניום) ולכן יש מספר גדול אך סופי של תהליכים אפשריים.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • חני

    יסודות אחרים ליצירת פצצה גרעינית

    1. האם נדרש דוקא אורניום כדי לייצר פצצת ביקוע? אי אפשר לקחת יסודות אחרים עם מספר קטן יותר של פרוטונים (למשל פרנציום או רדון) על מנת לייצר פצצה כזו?
    2. האם חייבים להשתמש ביסוד רדיואקטיבי לפצצת ביקוע או שזה לא מחייב?

  • אבי סאייג

    תשובות

    1. אפשר לקחת יסודות אחרים מאורניום - ובאמת, משתמשים גם בפלוטוניום. אפשר גם להשתמש ביסוד תוריום (מס' אטומי 90, קטן מאורניום - אבל בפועל לא ידוע לי על שימוש ממשי בו), שימוש ברדון יהיה בעייתי - מבחינה טכנית, כי הוא גז. למעשה - לתעשייה הגרעינית על כל הבטיה יש ניסיון ארוך, ידע, ותשתיות שכולם מבוססים על אורניום ופלוטוניום, כך שקשה לי להאמין ששווה להשקיע במחקר על משהו אחר, ונדיר הרבה יותר (מעריכים שבכל קרום כדור הארץ יש רק 30 גרמים של היסוד פרנציום... זה יסוד מאוד לא יציב, ונדיר ביותר)

    2. כפי שרואים בגרף - צריך להשתמש ביסוד עם גרעין כמה שיותר אנרגטי, כלומר כבד/בעל מספר אטומי גבוה, בפועל - כל היסודות ממספר אטומי 84 (מהיסוד פולוניום) ומעלה כבר רדיו-אקטיבים, כך שזה המצב בפועל לכל האטומים הכבדים ביותר - בהם משתמשים.

  • אורן

  • אבי סאייג

    גם וגם

    הפרש המסות בערך מוחלט ש"הולך לאיבוד"- קובע את העוצמה המוחלטת.
    הפרש המסות היחסי הוא הכלי המאפשר להשוות בין העוצמות של פצצת אטום למימן.

  • שוקי

    יופי של מאמר- מוסבר מצויין גם להדיוטים כמוני. מי שמעוניין

    בספר נהדר שבו אפשר גם לקרוא על תהליכי ההיתוך והביקוע של אטומים וגם ליהנות מוזמן לחפש את הספר - "המפץ הגדול" של סיימון סינג (המשפט האחרון של פרמה, סודות ההצפנה).

  • אחמדיניג'אגד

    בקיצור, מה שאני לומד מהגרף

    פצצת מימן? just do it!

  • אביבית (מהאח הגדול)

    לפי המאמר מתברר שפצצת מימן היא מיתוס ליצור אימה על האויב מאשר

    לפי המאמר מתברר שפצצת מימן היא מיתוס ליצור אימה על האויב מאשר דבר ריאלי אכן האנרגיה המתקבלת מקג מימן היא פי 5 גדולה מאורניום אך אורניום דחוס וכבד פי 13 ממימן כך שליחידת נפח פצצת אטום קטנה יותר.
    זמן חיים קצר של והרדיואקטיביות של טריטיום כמו גם הקושי באיכסון דיטריום וטריטיום נוזליים הופכים את פצצת המימן ללא ריאלית לחלוטין במיוחד כאשר מדובר על מגננה או מכה שניה.
    ההה

  • אבי סאייג

    לא ולא!

    לצערינו, פצצת מימן היא ממשית ביותר (פוצצו מספר דגמים רב של פצצות על ידי המעצמות), ובפועל - חזקה ברמה של פי 2000 מהפצצות שהופלו על הירושימה, כפי שכתבתי. אמנם קשה הרבה יותר ליצר ולתחזק אותה, אבל זה לא משהו שקשה ברמה מדינתית. בנוסף - אין צורך לשמור על דאוטריום / טריטיום / מימן נוזלי, רק הפצצה הראשונה השתמשה בגזים מנוזלים, לאחר מכן נמצאו פתרונות אחרים זולים ויציבים בהרבה (שימוש בתרכובות מימן מוצקות, פצצה שמיצרת לעצמה את הטריטיום על ידי תגובה גרעינית פנימית וכו'). עד היום לארצות הברית ולרוסיה ארסנל אדיר מימדים של פצצות מימן, המסוגלות להשמיד את כל האנושות מספר פעמים.

  • אביעד נ

    האם ניתן לבצע היתוך בחומרים שונים ממימן?

    האם היתוך בחומרים שונים ממימן -כאלו שהמסת חלקיק ממוצעת שלהם קצת יותר גדולים מ1- (יותר קרובים לברזל) ?
    נראה לי שהיתוך של חומרים כאלו אמנם יפיק פחות אנרגיה , אבל לפחות יהיה ניתן לשלוט ולהכיל את האנרגיה המופקת מהתהליך.
    איפה ניתן לקרוא חומר נוסף בנושא היתוך חומרים?

  • אבי סאייג

    בוודאי שכן!

    באמצעות היתוכים גרעיניים נוספים (נוספים למימן שהופך להליום) נוצרו כל שאר היסודות ביקום. ידועים למשל מנגנוני ההיתוך של הליום לפחמן, פחמן לחמצן וחמצן לצורן. תהליכים אלה דורשים כל-כך (כל-כך!) הרבה אנרגיה לצורך 'התנעתם' שאפילו בשמש הם לא מתרחשים, ומתרחשים רק בזמן 'סופר-נובה' - פיצוץ אדיר מימדים שמתרחש לעיתים בסיום חייה של שמש ביקום (אתה יכול לקרוא על זה בלינק). גם בזמן המפץ הגדול בראשית היקום התרחש היתוך כזה. מובן שתהליך כזה הוא בגדר הבלתי אפשרי, נכון להיום, בטכנולוגיה אנושית.
    אבי

  • אביעד נ

    התהליך דורש יותר אנרגיה ממה שהוא משחרר ?

    קודם כל תודה על המאמר המעניין,
    עוד יותר תודה על התשובות..
    לא הבנתי כל כך , מדוע דרושה כל כך הרבה אנרגיה לבצע היתוך בהליום, (לעומת ההיתוך במימן שהוא אפשרי).
    האם לא מספיק לחץ שידמה את הכבידה בבסיס הכוכב ?

  • אבי סאייג

    תשובה

    אביעד,
    ראשית - תודה על התודות.
    בקשר לשאלתך - בכל היתוך גרעיני שבסופו של דבר מסת התוצרים נמוכה יותר ממסת המגיבים (מסה הופכת לאנרגיה) משתחררת אנרגיה. אבל כדי שהיתוך יצא לפועל צריך לקרב אחד לשני את גרעיני האטומים, בעוד שבאטום מימן יש רק פרוטון אחד (פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי ומפעילים כוח דחייה חשמלי זה על זה) באטומים אחרים יש יותר פרוטונים ולכן המשימה קשה יותר, ולו רק בגלל כוח הדחייה החשמלי בין הגרעינים (לקרב יחד שני אטומי חמצן, עם 8 פרוטונים כל אחד, דורש להתגבר על כוח חשמלי גדול פי 64 בהשוואה לשני אטומי מימן). ויש גם פרמטרים נוספים של 'חתך פעולה' - סיכוי התגובה להתרחש (בגלל יציבות רבה יותר של האטומים המגיבים, יחסית, וגם דרושה תוספת של נייטרונים לגרעינים הנוצרים - כדי ליצב אותם), שגורם לכך שדרושה עוד אנרגיה ל'התנעת' תהליך ההיתוך, כלומר בשלב הראשון יש להשקיע אנרגיה מאוד מאוד רבה - כדי שתתקבל בסוף אנרגיה חזרה כתוצאה מהיתוך (בדומה לאנרגיית שיפעול בכימיה - כדי לגרום לנייר לבעור צריך לספק לו בהתחלה הרבה אנרגיה ראשונית להתנעת התהליך - ראה הסבר מפורט יותר בסרט שבקישור). כמו-כן ברגע שמתרחש כבר תהליך ההיתוך הוא פראי ביותר ואי אפשר לשלוט בו (סופר נובה).

    כפי שכתוב במאמר שקישרתי אליו בתגובה קודמת, האנרגיה המשתחררת בסופר נובה היא אדירה – אנרגיה מסדר גודל של האנרגיה אותה פולטת השמש לאורך כל חייה, כ- 10 אוקטיליון מגה טון TNT. על-כן יש צורך בסדר גודל של כאוקטיליון (=1027) פצצות מימן, קרי נצטרך 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 פצצות מימן כדי לדמות את התהליך...

    אבי

  • אמנטו

    מהי פצצת צזיום ?

    תודה על המאמר.
    1. מהי פצצת צזיום ?
    2. מה תפקידם של מים כבדים ?
    3. האם יש עוד חומרים שיכולים לשמש כפצצה מלבד אורניום ופלוטוניום ?

  • אבי סאייג

    תשובות

    1. פצצת צזיום היא מה שנקרא 'פצצה מלוכלכת' - פצצה שמכילה חומר רדיו אקטיבי (כמו איזוטופ רדיו אקטיבי של צזיום, איזוטופים = אטומים עם אותו מספר פרוטונים אך עם מספר נייטרונים שונה, שיכול להשפיע על יציבות הגרעין). החומר מתפזר עם הפיצוץ ומזהם את הקרקע סביבו בזיהום רדיו-אקטיבי.
    2. מים כבדים משמשים בכורים גרעיניים לצורך שליטה בתגובת ביקוע, להאטת נייטורנים, קרא עוד על כך כאן - בכתבה על כורים גרעיניים.
    3. אתה מתכוון לפצצת ביקוע - אז גם היסוד תוריום יכול. אם-כי בפועל לא ידוע כי נוסתה כל פצצת אטום אחרת מלבד של אורניום ופלוטוניום.

    אבי

  • קובי

    מעולה, יופי של הסבר!

    תודה רבה

  • אילן כהן

    שאלה

    מאחר מרתק אם כי רובו היה כ"סינית"
    מדוע אם כן לא משתמשים בהיתוך להפקת אנרגיה?

  • אבי סאייג

    מנסים!

    ראשית, אני בטוח שבכל זאת הבנת את עיקר הכתבה, הנה - שאלת שאלה נבונה ביותר.
    בקשר לשאלה - טובי המדענים בכל העולם מנסים 'לרסן' את תגובת ההיתוך כדי להפיק ממנה אנרגיה, היא גם נקייה לחלוטין - תוצרי הלוואי שלה הן גז הליום בלבד (בניגוד לפסולת רדיו-אקטיבית בכורי ביקוע). עד כה לא הצליחו, ועיקר הבעיה היא שאין כלי שיכול להחזיק יחדיו בטמפ' גבוהה כל-כך את האטומים, יש ניסיונות להשתמש בשדה מגנטי, ובצרפת יש ניסויונות רציניים להשתמש בהיתור קר (אתה יכול לקרוא על זה בהרחבה בקישור)

  • ליאור

    שאלה

    למה משתמשים באיזוטופ אורניום 235 לפצצה גרעינית ולא ביסודות כבדים יותר בטבלה המחזורית שכן יש עוד יסודות כבדים ממנו?

  • אבי סאייג

    תשובה

    בטבלה המחזורית יש יסודות כבדים יותר מאורניום, אבל בעולם (באופן טבעי) - אין. אורניום הוא היסוד הכבד ביותר שנמצא כמחצב בטבע. אם רוצים להשתמש ביסודות כבדים יותר - יש ליצר אותם באופן מלאכותי, ואכן - בכורים גרעיניים מיצרים פלוטוניום (מאורניום), שגם הוא משמש כ'דלק' לפצצה גרעינית (פצצת האטום 'איש שמן' שהוטלה על העיר נאגסקי - הייתה פצצת אטום של פלוטוניום).

  • ליאור

    שאלה על הפלוטוניום

    האם בכלל אי אפשר לייצר פלוטוניום או שפשוט הוא לא נמצא בכדור הארץ?

  • אבי סאייג

    תשובה

    למען הדיוק המדעי - בתוך עפרות אורניום יש פלוטוניום בכמויות מזעריות ביותר, שריד של תגובות גרעיניות שהתרחשו בתוך העפרה. באופן מעשי - אי אפשר להשתמש בזה לשום מטרה, ולכן יש ליצר אותו באופן מלאכותי. יתכן שלפני כמה מיליארדי שנים היה פלוטוניום בכמות גדולה בכדור הארץ, אבל בגלל שפלוטוניום יסוד רדיו-אקטיבי, ומתפרק עם הזמן, וזמן מחצית החיים שלו (קצב ההתפרקות) קצר יחסית, היום כבר לא נותר (כמעט) שריד ממנו בכדור הארץ.

  • גלעד

    שאלה קטנה

    מאוד מעניין תודה רבה על המאמר רק דבר קטן שלא הבנתי..
    לפי הגרף האם ככל שנעלה בטבלה המחזורית (מהאטום ברזל) אז החומר יפיק יותר עוצמה בפצצת אטום, וככל שנרד בטבלה (מברזל) אז החומר יפיק עוצמה חזקה יותר בפצצת מימן?

  • אבי

  • חאכו שוקי

    התמונה של בירושימה

    שלום
    רצוי להוסיף את המונה לפני ההפצצה, וכך נוכל לראות את התוצאות טוב יותר אם יש

  • אבי סאייג.

    תמונות

    שלום
    באתר הבא, אפשר למצוא תמונות של הירושימה, לפני ואחרי הפצצה. (חלק מהתמונות קשות לצפייה)
    http://www.boston.com/bigpicture/2009/08/hiroshima_64_years_ago.html

    אבי

תגובות פייסבוק