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.


 

61 תגובות

  • 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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

  • עמודים