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.

 

67 תגובות

  • שי

    היתוך לצורך הפקת אנרגיה

    מה מונע מהאנושות להפיק אנרגיה מתהליך של היתו מימן?
    או תהליכי היתוך של יסודות אחרים כבדים יותר?

  • אנונימי

    ליבת כדור הארץ

    האם גם בליבת כדור הארץ מתרחש תהליך דומה של היתוך גרעיני כמו בשמש?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    סיבות טכניות

    שלום שי

    הבעיות המונעות הפקת אנרגיה מהיתוך הן טכניות. כיוון שצריך טמפרטורות מאוד מאוד גבוהות (כמאה מליון מעלות!) כדי לאפשר היתוך - אין בנמצא שום כלי שיכול להחזיק יחד את האטומים כדי שיבצעו היתוך. הכיוון המבטיח ביותר לפתרון הבעיה הוא לייצר כלי משדות מגנטיים שפשוט שומרים את גרעיני האטומים באוויר. הבעיה היא שזה דורש שדות מגנטיים עצומים. אבל מנסים ממש בזמנים אלו. אתה מוזמן לקרוא את הכתבה שלנו על ניסיונות להפקת אנרגיה מהיתוך:

    https://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/physics/%D7%94%D7%99%D...

    אם הבעיה תפתר - אזי יפתרו כל בעיות האנרגיה של האנושות, כי מימן יש בשפע אדיר בכדור הארץ.

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

  • אלי

    מה הסיבה שהיתוך לא קורה בגרעינים כבדים?

    מדוע היתוך מתרחש דווקא בגרעינים קלים של מימן, ולא בגעינים הכבדים?
    או בעצם, למה לא מתרחש גם תהליך של היתוך בפצצת ביקוע גרעיני, באופן שגרעיני אורניום למשל יותכו יחד

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    התשובה בגרף

    היי אלי
    תנסה להתעמק בגרף שצירפתי לכתבה - הוא נותן את התשובה.
    באטומים כבדים (כל אלו הכבדים מברזל) - המסה של חלקיק בגרעין הולכת ועולה. ובגלל שמסה=אנרגיה, זה אומר שכדי לייצר אטומים כבדים מאטומים מעט קלים יותר אתה תצטרך להוסיף אנרגיה, המון אנרגיה - בסדר גודל מטורף כמו זה שפצצת מימן משחררת - ולרכז אותו בדיוק בדיוק לאטומים המדוברים. כיוון שאין לכך דבר כזה - דבר כזה גם לא יתרחש.
    בשולי הדברים - אפילו השמש לא מייצרת גרעיני אטומים כבדים - גם לה אין מספיק אנרגיה מרוכזת לכך, וההערכות הן שאטומים כבדים נוצרים מהיתוך גרעיני רק באירועים מטורפים כמו 'סופרנובה' - פיצוץ של שמש גדולה בסוף חייה.

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

  • המדען הסקסי

    פצצת מימן

    מה זה בדיוק פצצת מימן ואיך אני יכול להשיג אותה ?
    מחר אני מגיע למעבדה תארגן אותי

  • מישקה

    רכיב טכנולוגי בפצצת מימן

    שלום אבי, לצורך ספר בדיוני, אני "מחפש" רכיב טכנולוגי שחיוני ליצירת פצצת מימן (כגון צנטריפוגה להעשרת אורניום בפצצות הגרעין ה"רגילות", או סוג מסויים של רכיב כמרעום, פלדה מסויימת וכיו"ב) - שסביר שמדינה כמו אירן לא יכולה לייצר בעצמה וצריכה לרכוש בשוק השחור (שכן לא ימכרו לה באופן רשמי). האם יש לך רעיון? תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    צריך

    כמו שכתבתי בתגובה קודמת - באופן כללי, פצצת מימן מכילה בתוכה פצצת אטום קטנה ה'מתניעה' את תהליך ההיתוך הגרעיני המתרחש בתוכה - ולכן כל מה שצריך בשביל הראשונה צריך גם לשנייה. אז כל מה שכתבת - עובר.

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

  • אנונימי

    מה מכילה פצצת מימן?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כשמה

    כשמה - פצצת מימן מכילה בתוכה מימן. ליתר דיוק איזוטופים של מימן שיכולים לעבור תהליך של היתוך גרעיני כפי שמתואר בכתבה. כללית פצצת מימן מכילה בתוכה פצצת אטום קטנה ה'מתניעה' את תהליך ההיתוך הגרעיני המתרחש בתוכה, כלומר היא מכילה גם חומר בקיע (שעובר ביקוע גרעיני, לפצצת אטום), וגם חומר היכול לעבור היתוך גרעיני (כמו איזוטופים של מימן או חומרים היכולים ליצר אותם). ראה תמונה כאן:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon#/media/File:Teller-Ul...
    כמובן שהמבנה וההרכב המדוייק מעולם לא פורסם בפומבי - והוא נשמר כסוד על ידי המעצמות הבודדות המחזיקות אותו (כמו הנוסחה של קוקה קולה ;-) ).

  • מנשה

    אנרגיה פוטנציאלית

    גם לא נראה לי שסך הכל האנרגיה של כדור הארץ והכדור יחד עלו שהרי האנרגיה להעלותו לגובה לא הגיעה מהחלל.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    צריך לברר מאיפה הגיעה האנרגיה

    וזה תלוי בשאלה איך הרמת את הכדור.
    אם אדם הרים את הכדור - אז האנרגיה הגיעה מהאדם, שקיבל את האנרגיה מהמזון, שקיבל את האנרגיה מהשמש (אם זה צמחים - ישירות, אם זה בשר אז מאכילת צמחים). כלומר לאדם שהרים את הכדור תהייה ירידת אנרגיה, ולמערכת כדור הארץ + כדור עליית אנרגיה שמתבטאת בעליית מסה.
    לגבי 'נראה לי' - מדע הולך לפי מדידות, ולא לפי תחושות (שמטעות אותנו הרבה פעמים) ואינטואיציות (שמטעות אותנו הרבה פעמים). למעשה תורת היחסות היא ממש ממש לא אינטואיטיבית, אולי ממש נוגדת את האינטואיציה. (כך גם תורת הקוונטים). אבל כאמור בתשובות קודמות - בכל פעם שהאפקט בסדרי הגודל של מכשירי המדידה שלנו אנו מצליחים למדוד אותו.
    אם היו לנו מכשירי מדידה מושלמים היינו רואים שלמערכת כדור הארץ + כדור פחות בנאדם - הייתה עליית מסה, ולאדם שהרים את הכדור - ירידה.

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

    בברכה

  • מנשה

    אנרגיה פוטנציאלית

    תודה על התשובה. ראיתי גם את הסרטון המרתק. עגיין נשארה לי שאלה אחת שאני לא מבין. לימדו אותי בבית ספר שהרמת כדור מתכת בעל מסה של 1 קג לגובה משקיעה בו אנרגיה פוטנציאלית ולכן בגובה של 100 מטר יהיה לו יותר אנרגיה פוטנציאלית מאשר היה לו בגובה פני הים. כמות האנרגיה שהוספה לו לכאורה היא m g h. האם זה נכון? איך ניתן למדוד זאת אפילו היו לנו מכשירי המדידה המושלמים. המשקל שלו יהיה נמוך יותר כי הוא רחוק יותר ממרכז הכובד של הפלנטה. האם צריך גם כאן יותר כוח כדי להזיז אותו. לא נראה לי שבאמת מסתו עלתה. תודה מנשה

  • מנשה

    מסה הנובעת מאנרגיה פוטנציאלית

    נושא סופר מרתק והעברת אותו בצורה נוחה לקריאה. אני עדיין סקרן בקשר למסה הנובעת מאנרגיה. הפעלת כוח של 1 ניוטון על קפיץ מתוח בתנועה תשנה פחות את מהירות תנועתו מאשר הפעלת אותו כוח על קפיץ רפוי. זאת הדרך למדוד זאת במידה ויהיה מכשיר מספיק רגיש. גם לגוף הנמצא בתנועה במהירות קבועה יחסית אליך יש יותר מסה מאשר לגוף הנמצא במנוחה יחסית אליך. האם נושא זה נבדק והוכח? למשל שינוי מהירותו של חלקיק טעון שנע מהר יחסית אליך במהירות קבועה. האם יצריך יותר כוח לשינוי מהירותו מאשר שינוי מהירותו של חלקיק הנע לאט יחסית אליך. כלומר ככל שהחלקיק נע מהר יותר בשדה הכוח כך קשה יותר לשנות את מהירותו?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    בהחלט

    תודה על המחמאות על הכתבה.
    לשאלתך - בהחלט כן, נבדק והוכח אינספור פעמים. במהירויות גבוהות מאוד מאוד - הקרובות למהירות האור קשה הרבה יותר להאיץ חלקיקים. מדענים נתקלים בזה במאיצי חלקיקים - כדאי לך לקרוא ולראות את הסרטון בכתבה שלנו על מאיץ חלקיקים. הסרט מתייחס גם לעליית המסה עקב המהירות. שים לב שככל שהחלקיקים יותר מהירים צריכים מאיצים עוצמתיים יותר כדי להמשיך ולהאיץ אותם, כך שמדובר בעצם בסדרה של מאיצים:
    http://goo.gl/sENCO

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

  • מנשה

    מה הסיבה שאטום הליום שוקל פחות מ 4 אטומי מימן

    האם מסת כל חלקיק בפני עצמו קטן יותר? כלומר מסת הפרוטון באטום מימן גדולה ממסת הפרוטון באטום הליום? או לחילופין יש לחלקיקים אותה המסה אבל באטום מימן יש אנרגיה פוטנציאלית יותר גדולה פר פרוטון מאשר באטום הליום ואנרגיה זו גורמת למסה של מימן פר פרוטון להיות גדולה יותר. האם זה שקול להנחה שמסת אטום שספג קרינה שהעלתה אלקטרון שלו לרמה אנרגטית גבוהה יותר היא גבוהה יותר כל עוד האלקטרון נמצא ברמה האנרגטית הגבוהה יותר. האם גם מסה של קפיץ מתוח גבוהה יותר ממסה של קפיץ לא מתוך?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    האפשרות השנייה

    היי מנשה - זאת האפשרות השנייה שרשמת, בגלל האנרגיה הפוטנציאלית: אם לדייק את מה שכתבת מסת הליום נמוכה יותר משל 4 אטומי מימן בגלל האנרגיה הפוטנציאלית הגרעינית הנמוכה יותר של הליום. התשובות לכל שאר השאלות שכתבת הם כן. אפילו לכוס מים חמים יש מסה גדולה יותר משל מים קרים - אבל אם תעשה את החשבון, ברמות אנרגיה קטנות כל כך, השינוי במסה הוא בלתי מדיד באמצעים הנוכחיים.

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

  • 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.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי 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.

  • עמודים