Waarom is de bindingsenergie in een uraanatoom bij splitsing energie die vrijkomt en de bindingsenergie bij splitsing van een heliumatoom energie die moet worden toegevoegd?

Tim, 49 jaar
11 februari 2011

Waarom is de bindingsenergie in een uraanatoom bij splitsing energie die vrijkomt en de bindingsenergie bij splitsing van een heliumatoom energie die moet worden toegevoegd?

Bij vorming van helium in een fusiereactie komt energie (bindingsenergie) vrij. Omdat de totale massa van 2 deuteriumatomen groter is als de massa van een heliumatoom wordt deze omgezet in energie. Een heliumatoom bevat dus ook minder energie dan twee deuteriumatomen. Om een heliumkern te splitsen moet er energie worden toegevoegd.

Bij kernsplijting komt er echter energie vrij. (ik heb het antwoord van Prof Walter Lauriks op een verwante vraag gelezen. In het antwoord wordt immers gesteld: “ De ‘bindingsenergie’ waarvan je spreekt is de totale potentiële energie die in je constructie zit”

Maar in helium moet bindingsenergie worden toegevoegd om de splijting mogelijk te maken en is dus geen potentiële energie.

Want: Ook in een heliumatoom zijn er twee protonen die tengevolge van de afstotende Coulombkracht elkaar wegduwen. Ook daar zijn er twee neutronen die ten gevolge van de kernkrachten de boel bij elkaar houden. Het verhaal van de rode en witte biljartballen, zoals in bovenstaand genoemd antwoord kan toch ook worden toegepast op een heliumkern?

Antwoord

Beste Tim,

Als we ons even beperken tot stabiele atomen, dan zijn er in grote lijnen twee soorten krachten die werken in een atoom:

1) de sterke wisselwerking: dit is een heel sterke kracht tussen quarks (quarks zijn de onderdelen van protonen en neutronen). Het is deze kracht die de protonen en de neutronen in een atoomkern bij elkaar houdt.

2) de elektromagnetische kracht: dit is de coulombkracht waarnaar je verwijst, die afstoting tussen protonen veroorzaakt.

De sterke wisselwerking zorgt voor het verhogen van de bindingsenergie, de Coulombkracht verlaagt de bindingsenergie. Er is een heel delicaat evenwicht tussen deze twee. In praktijk blijkt dat ijzer het meest stabiele atoom is (het heeft dus de grootste bindingenergie); bij kleinere atomen dan ijzer komt er energie vrij als je ze samenvoegt (fusie); bij grotere atomen dan ijzer komt er energie vrij als je ze splitst (fissie of splijting).

(Voor kernfusie gaat men meestal waterstofkernen gebruiken omdat de splijting daar het minst moeilijk is.)

Je kan dit een beetje begrijpen als je weet dat de sterke kernkracht enkel op heel korte afstand werkt (enkel protonen en neutronen dicht bij elkaar), terwijl de elektromagnetische kracht op langere afstand werkt (alle protonen in een kern stoten elkaar af).

In kleine atomen zijn er weinig protonen en neutronen. Als we een nucleon toevoegen, dan zit dat extra kerndeeltje dicht bij alle andere nucleonen en de bindingsenergie verhoogt. Als we nu meer en meer nucleonen toevoegen, dan neemt de relatieve bijdrage van de sterke wisselwerking af omdat niet alle nucleonen dicht bij elkaar kunnen zitten. Vanaf ijzer wordt het negatieve effect van de coulombkracht op de bindingsenergie belangrijker dan het positieve effect van de sterke wisselwerking. (Vanaf atoomnummer 90 wordt het effect van de coulombkracht zo groot dat de deze atomen instabiel worden, ze vallen uiteen omdat de afstoting tussen de protonen groter is dan de binding door de sterke wisselwerking.)

Met vriendelijke groeten,

Philippe Tassin

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2020
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen