Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:19 • sest 21:35 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 25:18 • Sest 04:56 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:07 • Síðdegis: 19:24 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:08 • Síðdegis: 13:14 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann?

Þorsteinn Vilhjálmsson

Með samruna er hér átt við kjarnasamruna. Hann felst í því að léttir atómkjarnar renna saman og mynda aðra þyngri, og orka losnar um leið. Kjarnasamruni er einhver helsta orkulind alheimsins í heild því að sólstjörnur fá orku sína frá honum. Hægt er að framkalla heitan samruna hér á jörðinni, til dæmis í vetnissprengjum, en svokallaður kaldur samruni er nú talinn hafa verið sjónhverfing.

Atómkjarnarnir eru jákvætt hlaðnir og hrinda því yfirleitt hver öðrum frá sér. Til að yfirvinna þessa fráhrindingu þurfa kjarnarnir að hafa mikla hreyfiorku og er algengast að hún myndist við það að efnið sé mjög heitt.

Léttasti atómkjarni sem til er er kjarni venjulegs vetnis, táknaður með H eða 1H. Í honum er aðeins ein róteind (p). Næstléttastur er kjarni tvívetnis, D eða 2H, sem hefur að geyma eina róteind og eina nifteind (n). Nift þýddi systir í fornu íslensku máli og nifteindin er eins konar systir róteindarinnar, aðeins þyngri en óhlaðin og hefur að öðru leyti flesta sömu eiginleika. Róteind og nifteind kallast einu nafni kjarnaeindir og fjöldi þeirra í atómkjarna segir til um massatölu hans.

Á eftir tvívetniskjarnanum kemur annars vegar kjarni þrívetnis, T eða 3H, og hins vegar létt, geislavirk samsæta helíns, 3He, en í þeim kjarna eru tvær róteindir og ein nifteind. Kjarninn í stöðugu, náttúrlegu helíni er hins vegar táknaður með 4He og hefur massatöluna 4.

Síðan taka önnur frumefni við hvert af öðru. Fjöldi róteinda ræður því hvert frumefnið er en kjarnar sama frumefnis með mismunandi nifteindatölu nefnast samsætur. Frumefnin sem nú hafa verið talin eru þau langalgengustu í alheiminum og um leið eru þau eldsneytið í kjarnasamruna á fyrstu stigum.

Þegar kjarnar renna saman minnkar massinn þar til komið er að járni sem hefur 56 kjarneindir alls. Massamunurinn kemur fram sem orka samkvæmt jöfnu Einsteins sem áður var getið, E = m c2, þar sem E er orkan, m er massamunurinn og c er ljóshraðinn. Ljóshraðinn c er stór tala og c2 er enn miklu stærri og því þarf aðeins lítinn massa til veruleg orka myndist.

Í kjarnasamruna breytist hlutfallslega mikill massi í orku, miðað við heildarmassann sem tekur þátt í hvörfunum. Það er ein ástæðan til þess að samruni er svo skilvirkur orkugjafi, hvort sem er í sólstjörnum eða í vetnissprengjum.

Atómkjarnar hafa jákvæða rafhleðslu og hrinda því hver öðrum frá sér með rafkröftum eins og áður var nefnt. Þegar kjarnarnir komast hins vegar nógu nálægt hver öðrum taka svokallaðir kjarnakraftar við og yfirgnæfa rafkraftana þannig að samruni getur orðið. Til að koma þessu í kring er nauðsynlegt að gefa atómkjörnunum hraða og hreyfiorku með geysimikilli hitun. Í vetnissprengjum er þetta gert með því að venjuleg úransprengja setur sprenginguna af stað sem eins konar hvellhetta. Í venjulegum sólstjörnum veldur hiti efnisins því að kjarnarnir geta náð að renna saman og jafnvægi kemst síðan á milli samrunaorkunnar, hitans og geislunarinnar burt frá sólstjörnunni, þar til eldsneytið, samrunaefnið, kann að verða uppurið.

Með þessu er því vonandi svarað, hvað heitur samruni er; samruni er sem sé yfirleitt alltaf heitur! En snemma árs 1989 töldu nokkrir bandarískir vísindamenn sig hafa fundið leiðir til að koma í kring köldum samruna sem svo var kallaður. Hugmyndin var sú að með einhverjum hætti hefði tekist að láta kjarnana yfirstíga (eða smjúga undir) þröskuldinn sem rafkraftarnir skapa annars milli þeirra, án þess að menn þyrftu að hita efnið upp eins og áður hafði verið talið nauðsynlegt. Ef þetta hefði reynst rétt hefði það þýtt algera byltingu í orkumálum mannkynsins. Það var því ekki að furða þótt vísindaheimurinn stæði á öndinni þær 5-6 vikur eða svo sem liðu þar til botn fékkst í málið. En skemmst er frá því að segja að kaldi samruninn stóðst ekki prófun annarra en upphafsmannanna og er því ekki talinn til raunverulegra fyrirbæra né eiga við rök að styðjast.

Efni þessa svars tengist nokkrum öðrum svörum á Vísindavefnum:

Mig langar að vita af hverju stjörnurnar skína. (Þorsteinn Vilhjálmsson)

Hvað er helst því til fyrirstöðu að nýta kjarnasamruna til tannburstunar? (Þorsteinn Vilhjálmsson)

Hvernig verka venjulegar kjarnorkusprengjur? (Jón Tómas Guðmundsson)

Hægt er að fá mikið af upplýsingum um kaldan samruna með því að fletta upp á "cold fusion" í leitarvélum á Veraldarvefnum.

Höfundur

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

5.9.2002

Spyrjandi

Valberg Már Sveinsson

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann?“ Vísindavefurinn, 5. september 2002. Sótt 25. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=426.

Þorsteinn Vilhjálmsson. (2002, 5. september). Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=426

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann?“ Vísindavefurinn. 5. sep. 2002. Vefsíða. 25. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=426>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann?
Með samruna er hér átt við kjarnasamruna. Hann felst í því að léttir atómkjarnar renna saman og mynda aðra þyngri, og orka losnar um leið. Kjarnasamruni er einhver helsta orkulind alheimsins í heild því að sólstjörnur fá orku sína frá honum. Hægt er að framkalla heitan samruna hér á jörðinni, til dæmis í vetnissprengjum, en svokallaður kaldur samruni er nú talinn hafa verið sjónhverfing.

Atómkjarnarnir eru jákvætt hlaðnir og hrinda því yfirleitt hver öðrum frá sér. Til að yfirvinna þessa fráhrindingu þurfa kjarnarnir að hafa mikla hreyfiorku og er algengast að hún myndist við það að efnið sé mjög heitt.

Léttasti atómkjarni sem til er er kjarni venjulegs vetnis, táknaður með H eða 1H. Í honum er aðeins ein róteind (p). Næstléttastur er kjarni tvívetnis, D eða 2H, sem hefur að geyma eina róteind og eina nifteind (n). Nift þýddi systir í fornu íslensku máli og nifteindin er eins konar systir róteindarinnar, aðeins þyngri en óhlaðin og hefur að öðru leyti flesta sömu eiginleika. Róteind og nifteind kallast einu nafni kjarnaeindir og fjöldi þeirra í atómkjarna segir til um massatölu hans.

Á eftir tvívetniskjarnanum kemur annars vegar kjarni þrívetnis, T eða 3H, og hins vegar létt, geislavirk samsæta helíns, 3He, en í þeim kjarna eru tvær róteindir og ein nifteind. Kjarninn í stöðugu, náttúrlegu helíni er hins vegar táknaður með 4He og hefur massatöluna 4.

Síðan taka önnur frumefni við hvert af öðru. Fjöldi róteinda ræður því hvert frumefnið er en kjarnar sama frumefnis með mismunandi nifteindatölu nefnast samsætur. Frumefnin sem nú hafa verið talin eru þau langalgengustu í alheiminum og um leið eru þau eldsneytið í kjarnasamruna á fyrstu stigum.

Þegar kjarnar renna saman minnkar massinn þar til komið er að járni sem hefur 56 kjarneindir alls. Massamunurinn kemur fram sem orka samkvæmt jöfnu Einsteins sem áður var getið, E = m c2, þar sem E er orkan, m er massamunurinn og c er ljóshraðinn. Ljóshraðinn c er stór tala og c2 er enn miklu stærri og því þarf aðeins lítinn massa til veruleg orka myndist.

Í kjarnasamruna breytist hlutfallslega mikill massi í orku, miðað við heildarmassann sem tekur þátt í hvörfunum. Það er ein ástæðan til þess að samruni er svo skilvirkur orkugjafi, hvort sem er í sólstjörnum eða í vetnissprengjum.

Atómkjarnar hafa jákvæða rafhleðslu og hrinda því hver öðrum frá sér með rafkröftum eins og áður var nefnt. Þegar kjarnarnir komast hins vegar nógu nálægt hver öðrum taka svokallaðir kjarnakraftar við og yfirgnæfa rafkraftana þannig að samruni getur orðið. Til að koma þessu í kring er nauðsynlegt að gefa atómkjörnunum hraða og hreyfiorku með geysimikilli hitun. Í vetnissprengjum er þetta gert með því að venjuleg úransprengja setur sprenginguna af stað sem eins konar hvellhetta. Í venjulegum sólstjörnum veldur hiti efnisins því að kjarnarnir geta náð að renna saman og jafnvægi kemst síðan á milli samrunaorkunnar, hitans og geislunarinnar burt frá sólstjörnunni, þar til eldsneytið, samrunaefnið, kann að verða uppurið.

Með þessu er því vonandi svarað, hvað heitur samruni er; samruni er sem sé yfirleitt alltaf heitur! En snemma árs 1989 töldu nokkrir bandarískir vísindamenn sig hafa fundið leiðir til að koma í kring köldum samruna sem svo var kallaður. Hugmyndin var sú að með einhverjum hætti hefði tekist að láta kjarnana yfirstíga (eða smjúga undir) þröskuldinn sem rafkraftarnir skapa annars milli þeirra, án þess að menn þyrftu að hita efnið upp eins og áður hafði verið talið nauðsynlegt. Ef þetta hefði reynst rétt hefði það þýtt algera byltingu í orkumálum mannkynsins. Það var því ekki að furða þótt vísindaheimurinn stæði á öndinni þær 5-6 vikur eða svo sem liðu þar til botn fékkst í málið. En skemmst er frá því að segja að kaldi samruninn stóðst ekki prófun annarra en upphafsmannanna og er því ekki talinn til raunverulegra fyrirbæra né eiga við rök að styðjast.

Efni þessa svars tengist nokkrum öðrum svörum á Vísindavefnum:

Mig langar að vita af hverju stjörnurnar skína. (Þorsteinn Vilhjálmsson)

Hvað er helst því til fyrirstöðu að nýta kjarnasamruna til tannburstunar? (Þorsteinn Vilhjálmsson)

Hvernig verka venjulegar kjarnorkusprengjur? (Jón Tómas Guðmundsson)

Hægt er að fá mikið af upplýsingum um kaldan samruna með því að fletta upp á "cold fusion" í leitarvélum á Veraldarvefnum....