Monday, September 10, 2012

அணுக்கருவைப் பிளந்தாலும் [Fission] இணைத்தாலும் [Fusion] ஆற்றல் வெளியாவது எப்படி?

யுரேனியம், புளூட்டோனியம் போன்ற அணுக்கருக்களை உடைக்கும் போது [Fission] ஆற்றல் வருகிறது, அதுதான் ஜப்பானில் போடப் பட்ட அணுகுண்டுகள், அதுசரி சூரியனில் ஹைட்ரஜன்கள் சேர்ந்து ஹீலியமாக மாறும்போதும் [Fusion] ஆற்றல் உருவாகிறதே?    சேர்க்கும் போது ஆற்றல் உருவானால், பிரிக்க ஆற்றல் செலவிடப்பட வேண்டும், அல்லது அதற்க்கு நேர் மாறாகவாவது இருக்க வேண்டும், அதெப்படி அணுக்கருவை உடைத்தாலும், சேர்த்தாலும் இரண்டிலும் ஆற்றல் வெளியாகிறது??!!



அணுக்கரு பல சேரும்போது ஆற்றல் வெளியானால் ........
ஒரு அணுக்கருவைப் பிளக்கும் போது ஆற்றலை நாம்செலுத்த வேண்டும், அதுதானே நியாயம்?  ஆனால் இரண்டிலும் ஆற்றல் வெளிப்படுகிறது, எப்படி?
                                 

பிணைக்கும் ஆற்றல் [Binding Energy]


அணுவின் உட்கருவில் நியூட்ரான்களும் புரோட்டான்களும் உள்ளன என நாம் அறிவோம். தனித் தனியாக நியூட்ரான்களாகவும்  புரோட்டான்களாகவும் இருந்த இவை, அணுக்கரு விசைக்கு [Strong Nuclear Force] உட்பட்டு அணுக்கருவாக உருவாகும்போது ஆற்றல் காமா கதிர்களாக [Gamma  Rays] வெளியாகிறது.  [அணைகளில் தண்ணீர் புவி ஈர்ப்பு சக்தியால் ஈர்க்கப் பட்டு உயரமான இடத்தில் இருந்து கீழே விழும் போது வெளியிடும் இயக்க ஆற்றலைக் கொண்டு ராட்சத டர்பைன்களைச் சுழல வைத்து மின்சாரம் தாயாரிக்கிறோம் அல்லவா?]  இவ்வாறு இணைந்த அணுக்கருவை மீண்டும் தனித் தனியாக நியூட்ரான்களாகவும்  புரோட்டான்களாகவும் பிரித்துப் போட அவை இணைந்தபோது வெளியேற்றிய ஆற்றலை அணுவுக்குக் கொடுத்தால் மட்டுமே முடியும். நாம் நகையை அடகு வைத்து பணம் எடுத்து செலவு செய்து விட்டால், அந்தப் பணத்தை திரும்ப செலுத்தாத வரை அந்த நகையை கடன் கொடுத்தவரின் கட்டுப் பாட்டில் இருந்து மீட்க முடியாதல்லவா?  அதே மாதிரி, வெளியேறிய ஆற்றல் மீண்டும் செலுத்தப் படாதவரை அவற்றை அணுக்கருவில் இருந்து வெளியே கொண்டுவரவும் முடியாது. அந்தக் கடனில் சிக்கிய காரணத்தால் தான் அவை அங்கேயே நிரந்தரமாக மாட்டிக் கொண்டு நிலையான அணுக்களாக உள்ளன. 

அதுசரி,  இன்றைக்கு நாம் பார்க்கும் அணுக்கருக்கள் எல்லாம் ஏற்கனவே உருவாகி எந்த வம்பு தும்புக்கும் போக மாட்டேன் என்று நிலையான அமைப்பைப் பெற்று பல கோடி வருடங்கள் ஆகின்றன.  இன்றைக்கு நாம் எல்லா அணுக்கருக்களையும் உருவாக்கப் போவதில்லை, ஏற்கனவே அவை இருக்கின்றன, அவை உருவான போதே ஆற்றல் வெளியாகி விட்டது, அதிலிருந்து மேலும் ஆற்றலை எப்படி பெற முடியும்?

இதை ஒரு எளிய உதாரணத்தின் மூலம் புரிந்து கொள்ளலாம்.  நம்மிடம் 10 சவரன்  தங்கம் இருப்பதாக வைத்துக் கொள்வோம்,  பணத் தேவைக்காக அதை அடகு வைத்து சவரனுக்கு 500 ரூபாய் பணத்தைப் பெறுவதாக இருக்கட்டும் [வட்டியில்லாக் கடனாக கற்பனை செய்து கொள்ளுங்கள்!!], மொத்தம் 5000 ரூபாய் கிடைக்கும்.  நாம் அடகு வைத்த  தங்கத்தை மீட்க வேண்டுமானால் அடகு வைத்தபோது நாம் பெற்ற பணத்தை திரும்பச் செலுத்தினால் மட்டுமே முடியும். அதுசரி அடகு வைத்தாயிற்று, மேலும் பணம் தேவைப் படுகிறது, என்ன செய்யலாம்?   சவரனுக்கு எவ்வளவு ரூபாய் கடனாகத் தரலாம் என்பதில் கடைக்குக் கடை மாறுபடலாம்.  சவரனுக்கு ரூ 500 பதில் சிலர் ரூ 1000 தரலாம் தற்போது அடகு வைத்தவரிடமிருது,  இவரிடம் வைத்தால் மேலும் ரூ.5000 கிடைக்குமல்லவா!!   அதே சவரனுக்கு இரண்டாயிரம் ரூபாய் தரும் இடத்தில் வைத்தால் தற்போதுள்ள கடன் போக 15000 ரூபாய் கிடைக்கும். 


ஏற்கனவே கடனில் வைக்கப் பட்டுள்ள நகையில் இருந்து மேலும் பணத்தைப் புரட்ட:

1.  தற்போதைய மொத்தக் கடன் எவ்வளவு?  10 சவரனுக்கு 5000 ரூபாய்.
2.  சவரனுக்கு எவ்வளவு ரூபாய் தற்போது கடன் கொடுக்கப் பட்டுள்ளது?         
                              ரூ.5000/10=ரூ.500
3.  சவரனுக்கு தற்போது எவ்வளவு கொடுக்கப் பட்டுள்ளதோ அதை விட அதிகமாக கடன் கொடுக்கும் இடத்தில் மீண்டும் நகையை வைத்து மேலும் பணம் பெறுதல்.  அதாவது சவரனுக்கு ரூ.1000 கொடுக்குமிடத்துக்குப் போனால் ரூ.10000 கிடைக்கும், தற்போதைய கடனைக் கழித்து விட்டுப் பார்த்தால்  ரூ.5000 கிடைக்கும்.

தற்போது மேலே சொன்ன விஷயம் அத்தனையும் அணுக்கருவிற்கு எவ்வாறு பொருத்துகிறோம் என்று பார்ப்போம்.

1.  தனித் தனியாக இருந்த புரோட்டான்களும் நியூட்ரான்களும் ஒன்று சேர்ந்து அணுக்கரு உருவானபோது வெளியான ஆற்றல் எவ்வளவு?

2. 1- ல் கணக்கிடப் பட்ட ஆற்றலை அணுக்கருவில் உள்ள மொத்த நியூக்கிளியான்களின் [=நியூட்ரான்கள்+புரோட்டான்கள்] எண்ணிக்கையால் வகுக்க வேண்டும்.

3.  எந்த அணுக்கருவுக்கு இந்த இழப்பு அதிகமாக இருக்கிறதோ அதை நோக்கி அணுக்கரு பிளவையோ, இணைப்பையோ செய்தால் ஆற்றல் நமக்குக் கிடைக்கும்.

மேற்கண்ட மூன்று பாயின்டையும் ஒவ்வொன்றாகப் பார்ப்போம்:

1. அணுக்கருக்கள் உருவானபோது எவ்வளவு ஆற்றல் வெளியானது என்பதை நாம் பார்க்கவில்லை, அதை எப்படி கண்டுபிடிப்பது?!!


இங்குதான் ஐன்ஸ்டீனின் நிறை ஆற்றல் சமான தொடர்பு  [Mass energy equivalence],  நம் உதவிக்கு வருகிறது!!  ஒரு அமைப்பில் [System] இருந்து  E அளவு ஆற்றல் வெளியானால் அந்த அமைப்பின் நிறை E/C ^2 அளவு குறைந்து போய் விடும்.  தற்போது, அணுக்கருவின் உள்ளே எத்தனை புரோட்டான், நியூட்ரான் உள்ளன என்பதும் அவற்றின் தனிப்பட்ட நிறையும் நமக்குத் தெரியும். மேலும் தற்போதைய அணுக்கருவின் நிறையும் நமக்குத் தெரியும்.

ஒரு அணுவின் எடை m , அதில்  p புரோட்டான்களும் n  நியூட்ரான் களும் இருந்தால்,

இழந்த எடை [Mass Defect] =p X  புரோட்டான் எடை  +  n X  நியூட்ரான் எடை - m.

வெளியான மொத்த ஆற்றல் E =  [Mass Defect] * C ^2

இதை பிணை ஆற்றல் [Binding  Energy] என்று சொல்கிறோம்.
 



 



2.  1-ல் கணக்கிட்ட மொத்த ஆற்றல் இழப்பை அணுக்கருவில் உள்ள மொத்த  புரோட்டான்+நியூட்ரான் எண்ணிக்கையால் வகுத்து, அணுக்கருவில் உள்ள ஒரு நியூகிளியானுக்கு எவ்வளவு பிணை ஆற்றல் எவ்வளவு எனக் கணக்கிடலாம்.  அவ்வாறு  எல்லா அணுக்கருக்களுக்கும் கணக்கிட்டு அதை வரை படமாகப் பார்த்தால் கீழே கொடுக்கப் பட்டுள்ளது போல வருகிறது.


http://scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/11/binding_energy-thumb-500x353-69276.jpeg
X  -அச்சில் புரோட்டன்+நியூட்ரான்கள் எண்ணிக்கை [Mass Number], Y அச்சில் ஒரு நியூக்கிளியானுக்கு பிணை ஆற்றல் [Binding Energy] எவ்வளவு என்றும் காட்டுகிறது.  Fe வரை Fusion மூலமாகவும், அதற்குமேல் Fission மூலமாகவும் அணுக்கருவில் இருந்து ஆற்றலை எடுக்க முடியும். 

3.  இந்தப் படத்தை எப்படி புரிந்து கொள்வது?   நாம் இந்தப் பதிவிற்க்குக் கொடுத்த தலைப்பின் அர்த்தம் இந்தப் படத்தில் உள்ளது.  He, Fe, U ஆகிய அணுக்கருக்களை கடன் தருபவராக நினைத்துக் கொண்டால், இந்த படம் அவர்கள் சவரனுக்கு எவ்வளவு பணம் கடனாகக் கிடைக்கும் என்பதைப் போல ஆகும்.   He கடன் கம்மியாத்தான் தரார், U நிறைய தரார், ஆனாலும் Fe இருப்பதிலேயே அதிகம் தருகிறார்.  எனவே,  எந்த திசையில் இருந்தாலும் Fe நோக்கி நகர்ந்தால் நமக்கு ஆற்றல் கிடைக்கும்.  நீலநிறப் பட்டைக்கு முன்னர் உள்ள அணுக்கருக்கள் இணைக்கப் பட்டாலும், அதற்குப் பின்னர் உள்ள அணுக்கருக்கள் உடைக்கப் பட்டாலும் Fe  யை நோக்கி நகர்வதாக அர்த்தம், அதில் ஆற்றல் வெளியாகும்.   சவரனுக்கு ரூ 500 அல்லது ரூ 1000 கொடுப்பவர்களிடம் கடன் வாங்கியவர்கள் கூட ரூ 2000 கடன் தருபவரிடம் நகையை  வைத்தால் மேலும் பணத்தைப் புரட்ட முடியும் அல்லவா, அதே போலத்தான்!!
 
சிறிய அணுக்கருக்களை இணைத்தும், மிகப் பெரிய அணுக்கருக்களை உடைத்தும் நடுத்தர அணுக்கருக்களை உருவாக்கும் போது அணுக்கருவின் ஆற்றலை நாம் பெற முடியும்.  இந்த அடிப்படையில் தான் நாம் அணுக்கருவில் இருந்து Fission & Fusion என இரண்டு வகையிலும் ஆற்றலை உருவிக் கொண்டிருக்கிறோம்!! 

 
உதாரணத்திற்கு, ஒரு யுரேனியம் அணுக்கரு நியூட்ரானால் பிளவு பட்டு பேரியம், கிரிப்டான் அணுக்கருக்களாகவும் + உபரியாக 3 நியூட்ரான்களாகவும்  உடைகிறது.

 n +235 U  ------>141Ba + 92 Kr + 3n

அணுக்கருக்கள் பிணை ஆற்றல் [Binding Energy ]/நியூக்கிளியான்
[மேலே ஒன்று மற்றும் இரண்டில் சொன்ன முறையில் கணக்கிடப் பட்டது, குழப்பத்தைத் தவிர்க்க கணக்கீடுகள் தரப் படவில்லை].

யுரேனியம் [7.6 MeV/நியூக்கிளியான்] 
பேரியம்      [8.3 MeV/நியூக்கிளியான்]  
கிரிப்டான்   [8.5 MeV /நியூக்கிளியான்]

இதில் MeV  என்பது 1.6 X 10^-13  ஜூல்கள் ஆகும்.





யுரேனியம் அணுக்கரு உருவான போது வெளியான  மொத்த ஆற்றல்

                                                                                 =235 X 7.6 MeV=1786 MeV 

அதே மாதிரி பேரியம் அணுக்கரு:                               141 X 8.3 MeV=1170  MeV

கிருப்டான் அணுக்கரு:                                                 92 X 8.5 MeV =   782 MeV



ஒரு யுரேனியம் பேரியம்+ கிருப்டான் ஆக உடைந்தால் வெளியாகும் ஆற்றல் எவ்வளவு?


புதிய கடன் - பழைய கடன் =  நிகரமாக தற்போது கிடைக்கும் ஆற்றல்.

[1170  MeV+782 MeV] -1786 MeV =166 MeV ஆற்றல் கிடைக்கும்.




இதே முறையில் சிறிய அணுக்கருக்கள் இணைந்து பெரிய அணுக்கருவாக உருவாகும்போதும் ஆற்றல் வெளியாவதை காணலாம்.   உதாரணத்திற்கு,

ஒரு டியூட்டீரியம் அணுக்கருவும் [ஒரு புரோட்டான், ஒரு நியூட்ரான் கொண்ட ஹைட்ரஜன்], ஒரு டிரைடியம்  அணுக்கருவும் [ஒரு புரோட்டான், இரண்டு  நியூட்ரான் கொண்ட ஹைட்ரஜன்], ஒரு ஹீலியம் அணுக்கருவையும் ஒரு நியூட்ரானையும் தருகிறது. 



அணுக்கருக்கள் பிணை ஆற்றல் [Binding Energy ]/நியூக்கிளியான்

டியூட்டீரியம்  [1.11 MeV/நியூக்கிளியான்] 
டிரைடியம்      [2.82 MeV/நியூக்கிளியான்]  
ஹீலியம்         [7.1 MeV /நியூக்கிளியான்]


டியூட்டீரியம்  ---->  1.11 MeV/நியூக்கிளியான்  X  2 = 2.22 MeV
டிரைடியம்  -------->  2.82 MeV/நியூக்கிளியான்  X  3 = 8.46 MeV
                                                                         _____________

மொத்தம் வெளியான ஆற்றல்                                 =10.68 MeV

ஹீலியம் -------->      7.1 MeV /நியூக்கிளியான் X 4 =28.4  MeV

வித்தியாசம்=  28.4  MeV -  10.68 MeV= 17.6 MeV




இங்கே  டியூட்டீரியம்,  டிரைடியம் இணைந்து ஹீலியமாக உருவாகும்போது 17.6 MeV ஆற்றல் கிடக்கும்.




 
மாதிரிக் கணக்கீடுகளைப் பார்க்க இங்கு சொடுக்கவும்.















10 comments :

  1. எனக்கு முழுவதுமாக புரியவில்லை. பொறுமையாக ஆற அமர படிக்க வேண்டிய பதிவு. ஆனால் பயனுள்ள பதிவு. வாழ்த்துக்கள்.

    ReplyDelete
    Replies
    1. @சுவனப் பிரியன்

      கேள்விகள் இருந்தால் கேளுங்கள், வருகைக்கு நன்றி.

      Delete
  2. ஆட்டாமிக் பிசிக்ஸ்? எத்தனை பேருக்குப் புரியும்?

    ReplyDelete
    Replies
    1. தாங்கள் சொல்வது சரிதான் ஐயா, நிறைய எளிய உதாரணங்கள், படங்கள் மூலம் இந்தப் பதிவை மேலும் சில மாற்றங்கள் செய்ய இருக்கிறேன், அப்போது நிச்சயம் புரியும். இனி வரும் பதிவுகள் புரியும் வண்ணம் எளிய தலைப்புகளாக எடுக்க இருக்கிறேன், தொடர்ந்து ஆதரவு தாருங்கள்.

      Delete
  3. நண்பரே !

    இப்பொழுதுதான் உங்கள் பதிவை பார்த்தேன். உங்கள் பதிவின் தலைப்புக்கு கீழே ஒரு வரி குறைவது போல் உள்ளது ;-). மாற்றத்திற்கு ஏதேனும் முக்கிய காரணம் உள்ளதா ?

    மற்றபடி உங்கள் பதிவு நன்றாக உள்ளது. நிதானமாக படிக்க வேண்டி உள்ளது.. அறிவியல் பற்றி கொஞ்சம் அறிந்தவர்கள் மட்டுமே படிக்க வாய்ப்பு உள்ளது இன்னும் எளிமையாக இருந்தால் அனைவருக்கும் சென்று சேரும் என எண்ணுகிறேன். அணு (atom ),அணு கூறுகள்(atomic particle), atomic structure .. இப்படி சிறு விளக்கத்துடன் இருந்தால் அதை பற்றி தெரியாதவர்கள் தெரிந்து கொள்ள உதவியாக இருந்திருக்கும். நேரடியாக அணு கரு பிளவு, அணுகரு சேர்க்கை/இணைப்பு என்றால் நேரடியாக கடைசி அறிவியல் பதிவிற்கு வந்து விட்டோமோ என்று தோன்றுகிறது. அவை எதற்கு, ஏன், எப்படி, அதனால் பயன் என்ன இப்படி சிறு விளக்கங்களுடன் அனைவரும் அறியுமாறு இனி வரும் பதிவுகள் இருக்கும் என்று எதிர் பார்க்கிறேன்.

    நன்றி

    ReplyDelete
    Replies
    1. @ பிரபு

      இந்த விஷயம் நான் படிக்கும்போது பலநாட்கள் தலையைப் போட்டு உடைத்துக் கொண்டு பல ஆசிரியர்கள் தலையை உருட்டி அப்போதும் புரியாமல், பின்னர் யோசிக்கும்போது புரிந்து கொண்டதாகும். இதை இங்கே எழுதுவதற்கும் மிகவும் சிரமமாகவே இருந்தது. நிச்சயம் இந்தப் பதிவிற்கான அடிப்படைத் தகவல்களை கொஞ்சம்கொஞ்சமாக பின் வரும் பதிவுகளில் சேர்ப்போம், மற்றபடி ஆரம்பத்தில் எதையும் விட்டு விடவில்லை, ஒரு வேலை நான் இன்னமும் நன்றாக எழுதக் கற்றுக் கொள்ளவேண்டும் போல, வருகைக்கும் கருத்துக்கும் நன்றி.

      Delete
  4. என்ங்க நியூக்ளியர் ஃபிசிக்ஸா!!! :))))

    ReplyDelete
    Replies
    1. ஆமாம் வருண், அப்புறம் கந்தசாமி ஐயா புத்திமதி சொல்லி திருந்துய்யான்னு சொன்னாரு, அதான் அந்த எசகு பிசகான பேரு வச்சு பதிவு போட்டேன். ஹி.....ஹி.....ஹி.....

      Delete
  5. ஹஹி இதை நான் ஏற்கனவே பிஸிக்ஸில் படித்துள்ளதால் எனக்கு இது இலகுவாக விளங்கிவிட்டது.....

    ஆனால் இதை கற்பிக்க ஆசிரியர் கல்லில் நார் உரித்தார் என்பது வேறுகதை

    ReplyDelete
    Replies
    1. அப்பாடா, இந்தப் பதிவு புரிஞ்சதுன்னு சொன்ன முதல் ஆளை பிடிச்சதில் ரொம்ப சந்தோசம்!!

      Delete