Langkau ke kandungan
Fizik · Tingkatan 6 (STPM Physics) · Nuclear Physics

26.3 Nuclear reactions

Unit ini menerangkan keabadian nombor nukleon dan cas, keabadian jisim-tenaga dalam tindak balas nuklear, pembelahan dan pelakuran, tindak balas berantai, reaktor, pelakuran dalam Matahari dan pelupusan sisa nuklear.

  • STPM
  • 9 SP
  • 27 latihan
  • Percuma
Belajar & latih secara interaktifSemua unit Fizik STPM

SP 26.3.1State the conservation of nucleon number and charge in nuclear reactions;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas State (Menyatakan)

Calon perlu menyatakan keabadian nombor nukleon dan cas dalam tindak balas nuklear.

  1. IsiNombor nukleon
    Huraian

    Jumlah nombor nukleon A sebelum = jumlah selepas tindak balas.

    Contoh

    ²³⁵U + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n: 236 = 236.

  2. IsiCas
    Huraian

    Jumlah cas (nombor proton Z) sebelum = jumlah selepas.

    Contoh

    92 + 0 = 56 + 36 + 0.

NotaKeabadian dalam tindak balas nuklear

Dalam setiap tindak balas nuklear, jumlah nombor nukleon A (nucleon number) diabadikan dan jumlah cas atau nombor proton Z (charge) diabadikan. Bagi ᴬ_Z X, jumlah A di kiri = jumlah A di kanan, dan jumlah Z di kiri = jumlah Z di kanan. Contoh: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n; A: 235 + 1 = 141 + 92 + 3 = 236; Z: 92 + 0 = 56 + 36 + 0 = 92.

SP 26.3.1SP 26.3.2

SP 26.3.2Apply the conservation of nucleon number and charge in nuclear reactions;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Apply (Mengaplikasikan)

Calon perlu menggunakan keabadian A dan Z untuk melengkapkan persamaan nuklear dan mengenal pasti zarah.

  1. IsiMencari zarah tidak diketahui
    Huraian

    Tolak jumlah A dan Z yang diketahui.

    Contoh

    ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + X: A = 4, Z = 2, X = zarah alfa.

  2. IsiPereputan beta
    Huraian

    Beta minus: A tidak berubah, Z bertambah 1 (elektron ⁰₋₁e).

    Contoh

    ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.

Peta alirContoh: kenal pasti X dalam ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + X

  1. Nombor nukleon X: 226 − 222 = 4
  2. Nombor proton X: 88 − 86 = 2
  3. X = ⁴₂He, iaitu zarah alfa
SP 26.3.2

SP 26.3.3State the principle of mass-energy conservation to solve related problems in nuclear reactions;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas State (Menyatakan)

Calon perlu menyatakan prinsip keabadian jisim-tenaga dalam tindak balas nuklear.

  1. IsiPernyataan
    Huraian

    Jumlah jisim-tenaga (jisim rehat ditambah tenaga) sebelum tindak balas sama dengan jumlah selepas; kehilangan jisim rehat Δm muncul sebagai tenaga Q = Δmc².

    Contoh

    Hasil tindak balas pembebas tenaga lebih ringan daripada bahan.

  2. IsiTanda Q
    Huraian

    Q positif jika jisim bahan > jisim hasil (tenaga dibebaskan).

    Contoh

    Pelakuran ²H + ³H membebaskan 17.6 MeV.

NotaKeabadian jisim-tenaga (mass-energy conservation)

Jumlah jisim dan tenaga sebelum tindak balas sama dengan jumlah jisim dan tenaga selepasnya. Jika jumlah jisim rehat hasil kurang daripada bahan, perbezaan jisim Δm muncul sebagai tenaga Q = Δmc² (tenaga kinetik hasil dan sinaran gama). Q = [Σm(bahan) − Σm(hasil)]c²; Q positif bermaksud tenaga dibebaskan.

SP 26.3.3SP 26.3.4

SP 26.3.4Apply the principle of mass-energy conservation in nuclear reactions;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Apply (Mengaplikasikan)

Calon perlu mengira tenaga yang dibebaskan menggunakan Δm dan Q = Δmc² atau 931.5 MeV u⁻¹.

  1. IsiLangkah
    Huraian

    Jumlah jisim bahan, jumlah jisim hasil, Δm, kemudian Q.

    Contoh

    ²H + ³H → ⁴He + n: Δm = 0.018883 u, Q = 17.6 MeV = 2.82 × 10⁻¹² J.

  2. IsiPembelahan
    Huraian

    Langkah yang sama digunakan bagi pembelahan: jumlahkan jisim nukleus dan neutron sebelum serta selepas tindak balas, kira Δm, kemudian darab dengan 931.5 MeV u⁻¹. Tenaga pembelahan jauh lebih besar daripada tenaga tindak balas kimia.

    Contoh

    Jisim bahan 236.0526 u dan jisim hasil 235.8373 u: Δm = 0.2153 u, Q = 0.2153 × 931.5 ≈ 200 MeV.

Peta alirContoh: tenaga pelakuran ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n

  1. Jisim bahan = 2.014102 u + 3.016049 u = 5.030151 u
  2. Jisim hasil = 4.002603 u + 1.008665 u = 5.011268 u
  3. Δm = 5.030151 u − 5.011268 u = 0.018883 u
  4. Q = 0.018883 u × 931.5 MeV u⁻¹ = 17.6 MeV
  5. Q = 17.6 × 1.60 × 10⁻¹³ J = 2.82 × 10⁻¹² J
SP 26.3.4

SP 26.3.5Explain the occurrence of fission and fusion using the graph of binding energy per nucleon against nucleon number;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)

Calon perlu menerangkan pembelahan dan pelakuran menggunakan graf tenaga ikatan per nukleon.

  1. IsiPembelahan
    Huraian

    Nukleus berat (A besar, ≈ 7.6 MeV/nukleon) terbelah kepada nukleus sederhana (≈ 8.5 MeV/nukleon) yang lebih terikat; tambahan tenaga ikatan dibebaskan.

    Contoh

    U-235: kira-kira 236 × 0.9 ≈ 200 MeV.

  2. IsiPelakuran
    Huraian

    Nukleus ringan bergabung menjadi nukleus lebih berat yang tenaga ikatan per nukleonnya lebih tinggi (ke arah puncak Fe-56).

    Contoh

    Hidrogen menjadi helium di Matahari.

Peta buih bergandaPembelahan (fission) lawan pelakuran (fusion)

Pembelahan nukleusNukleus berat (A > 56) membelahDicetuskan oleh neutron perlahanMenghasilkan neutron untuk tindak balas berantaiBerlaku dalam reaktor kini
PersamaanHasil lebih hampir ke puncak graf tenaga ikatan per nukleonTenaga ikatan per nukleon hasil lebih tinggiCacat jisim dibebaskan sebagai tenaga
Pelakuran nukleusNukleus ringan bergabungMemerlukan suhu sangat tinggi (≈ 10⁷ K)Tenaga per unit jisim lebih besarBerlaku dalam Matahari
SP 26.3.5

SP 26.3.6Explain the chain reaction in nuclear fission;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)

Calon perlu menerangkan tindak balas berantai dalam pembelahan nuklear.

  1. IsiMekanisme
    Huraian

    Neutron menyebabkan U-235 terbelah dan membebaskan 2–3 neutron baharu, yang seterusnya membelah nukleus lain.

    Contoh

    Satu pembelahan → 3 neutron → 9 pembelahan berikutnya jika tiada neutron hilang.

  2. IsiJisim genting
    Huraian

    Tindak balas berterusan jika sekurang-kurangnya satu neutron daripada setiap pembelahan menyebabkan pembelahan lain; ini memerlukan jisim melebihi jisim genting.

    Contoh

    Jisim kecil membiarkan terlalu banyak neutron terlepas keluar.

Peta alirTindak balas berantai (chain reaction)

  1. Satu neutron perlahan diserap oleh ²³⁵U menjadi ²³⁶U yang tidak stabil
  2. ²³⁶U membelah kepada dua nukleus sederhana dan 2 hingga 3 neutron serta ≈ 200 MeV tenaga
  3. Neutron baharu membelah nukleus ²³⁵U lain
  4. Bilangan pembelahan bertambah secara eksponen jika jisim ≥ jisim genting (critical mass)
  5. Tanpa kawalan menjadi letupan; dengan kawalan memberi kuasa stabil
SP 26.3.6

SP 26.3.7Explain a controlled fission process in a reactor;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)

Calon perlu menerangkan bagaimana pembelahan dikawal dalam reaktor.

  1. IsiModerator dan rod pengawal
    Huraian

    Moderator (air/grafit) memperlahankan neutron supaya mudah menyebabkan pembelahan U-235. Rod pengawal (boron/kadmium) menyerap neutron; dimasukkan lebih dalam untuk mengurangkan kadar.

    Contoh

    Jika kuasa terlalu tinggi, rod pengawal diturunkan.

  2. IsiPendingin dan perisai
    Huraian

    Bahan pendingin memindahkan haba ke penjana stim; perisai konkrit tebal menyerap sinaran.

    Contoh

    Stim memacu turbin untuk menjana elektrik.

Peta pokokKomponen reaktor pembelahan terkawal

Reaktor nuklear
Rod bahan api
  • Uranium diperkaya ²³⁵U
Moderator
  • Air, air berat atau grafit
  • Memperlahankan neutron supaya mudah diserap ²³⁵U
Rod kawalan
  • Boron atau kadmium menyerap neutron
  • Diturunkan/dinaikkan supaya purata tepat satu neutron per pembelahan mencetus pembelahan seterusnya
Penyejuk dan perisai
  • Penyejuk memindahkan haba ke penjana stim dan turbin
  • Perisai konkrit tebal menahan sinaran
SP 26.3.7

SP 26.3.8Explain a nuclear fusion process in the Sun;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)

Calon perlu menerangkan proses pelakuran nuklear dalam Matahari.

  1. IsiSyarat
    Huraian

    Suhu teras sekitar 1.5 × 10⁷ K memberi proton tenaga kinetik untuk mengatasi tolakan elektrostatik; graviti mengekalkan ketumpatan tinggi.

    Contoh

    Pelakuran tidak berlaku di permukaan Bumi kerana suhu terlalu rendah.

  2. IsiRantai proton-proton
    Huraian

    Bersih: 4¹H → ⁴He + 2e⁺ + 2ν + kira-kira 26.7 MeV.

    Contoh

    Tenaga ini sampai ke Bumi sebagai cahaya Matahari.

Peta alirPelakuran dalam Matahari: rantai proton-proton

  1. Suhu teras ≈ 1.5 × 10⁷ K memberi proton tenaga kinetik untuk mengatasi tolakan elektrostatik
  2. ¹₁H + ¹₁H → ²₁H + e⁺ + ν
  3. ²₁H + ¹₁H → ³₂He + γ
  4. ³₂He + ³₂He → ⁴₂He + 2¹₁H
  5. Bersih: 4¹₁H → ⁴₂He + 2e⁺ + 2ν + ≈ 26.7 MeV; graviti yang besar mengekalkan ketumpatan plasma
SP 26.3.8

SP 26.3.9State ways for proper nuclear waste disposal.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas State (Menyatakan)

Calon perlu menyatakan cara pelupusan sisa nuklear yang betul.

  1. IsiSisa aras tinggi
    Huraian

    Disejukkan dalam kolam air, kemudian divitrifikasi (dikaca) dan disimpan dalam bekas keluli di repositori geologi dalam yang stabil.

    Contoh

    Rod bahan api terpakai.

  2. IsiSisa aras rendah
    Huraian

    Dimampatkan dan ditanam dalam tapak cetek berlapik konkrit dan dipantau.

    Contoh

    Sarung tangan dan pakaian makmal tercemar.

Poin utamaPelupusan sisa nuklear yang betul

  • Simpan rod bahan api terpakai dalam kolam air penyejuk beberapa tahun supaya aktiviti dan haba berkurang.
  • Sisa aras tinggi divitrifikasi (dijadikan kaca) dan dimeterai dalam bekas keluli tahan karat.
  • Bekas ditanam dalam repositori geologi dalam yang stabil, jauh dari air bawah tanah.
  • Sisa aras rendah dipadatkan, dibungkus dalam konkrit dan ditanam cetek di tapak berlesen.
  • Pemantauan jangka panjang; tidak dibuang ke laut atau sungai.
SP 26.3.9

Ingat: mnemonik & kad imbas

Mnemonik

KAT
Pelupusan sisa nuklear: Kaca (vitrifikasi), Air (kolam penyejuk), Tanam (repositori geologi dalam)

Kad imbas

Dua kuantiti diabadikan dalam tindak balas nuklear
Nombor nukleon A dan cas (nombor proton Z)
Tenaga tindak balas Q
Q = [Σm(bahan) − Σm(hasil)]c²
Fungsi moderator
Memperlahankan neutron
Fungsi rod kawalan
Menyerap neutron untuk mengawal kadar pembelahan
Tindak balas bersih dalam Matahari
4¹H → ⁴He + 2e⁺ + 2ν + 26.7 MeV
Jisim genting (critical mass)
Jisim minimum untuk tindak balas berantai berterusan

Semak kefahaman

  1. Nyatakan dua kuantiti yang diabadikan dalam semua tindak balas nuklear. (SP 26.3.1)

    Lihat jawapan

    Nombor nukleon dan cas (nombor proton).

  2. Kenal pasti X dalam ⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni + X. (SP 26.3.2)

    Lihat jawapan

    A = 0 dan Z = 27 − 28 = −1, maka X = ⁰₋₁e, iaitu zarah beta (elektron).

  3. Nyatakan prinsip keabadian jisim-tenaga dalam tindak balas nuklear. (SP 26.3.3)

    Lihat jawapan

    Jumlah jisim dan tenaga sebelum tindak balas sama dengan jumlah jisim dan tenaga selepas tindak balas.

  4. Jumlah jisim bahan suatu tindak balas ialah 4.0306 u dan jumlah jisim hasil 4.0120 u. Hitung tenaga yang dibebaskan dalam MeV. (SP 26.3.4)

    Lihat jawapan

    Δm = 4.0306 − 4.0120 = 0.0186 u; Q = 0.0186 × 931.5 = 17.3 MeV.

  5. Mengapakah pembelahan nukleus berat membebaskan tenaga? (SP 26.3.5)

    Lihat jawapan

    Nukleus hasil mempunyai tenaga ikatan per nukleon lebih tinggi; tambahan tenaga ikatan itu dibebaskan.

  6. Terangkan secara ringkas tindak balas berantai dalam pembelahan nuklear. (SP 26.3.6)

    Lihat jawapan

    Neutron membelah U-235 dan membebaskan 2 hingga 3 neutron baharu yang seterusnya membelah nukleus U-235 lain.

  7. Nyatakan fungsi rod kawalan dalam reaktor nuklear dan bahannya. (SP 26.3.7)

    Lihat jawapan

    Rod kawalan menyerap neutron untuk mengawal kadar pembelahan; diperbuat daripada boron atau kadmium.

  8. Mengapakah suhu yang sangat tinggi diperlukan untuk pelakuran dalam Matahari? (SP 26.3.8)

    Lihat jawapan

    Supaya proton mempunyai tenaga kinetik yang cukup untuk mengatasi tolakan elektrostatik antara satu sama lain.

  9. Nyatakan dua cara pelupusan sisa nuklear aras tinggi. (SP 26.3.9)

    Lihat jawapan

    Disejukkan dalam kolam air, kemudian divitrifikasi (dijadikan kaca) dan disimpan dalam repositori geologi dalam yang stabil.

27 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.

Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (5)
  1. Mengingat

    Aktiviti: Murid menyatakan pengabadian nombor nukleon, cas dan tenaga jisim dalam tindak balas nuklear dalam kad semakan selama 8 minit.

    Bukti hasil kerja: Kad semakan lengkap; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 26.3.1, 26.3.3 · Latihan sepadan: aras Mengingat
  2. Memahami

    Aktiviti: Dalam pasangan, murid menerangkan pembelahan dan pelakuran menggunakan graf tenaga ikatan per nukleon dan tindak balas berantai dengan rajah.

    Bukti hasil kerja: Lakaran graf dan rajah tindak balas berantai.

    SP disasar: 26.3.5, 26.3.6 · Latihan sepadan: aras Memahami
  3. Mengaplikasi

    Aktiviti: Murid melengkapkan persamaan tindak balas nuklear dan mengira tenaga dibebaskan (nilai Q) bagi pembelahan uranium-235 dan pelakuran deuterium-tritium.

    Bukti hasil kerja: Persamaan lengkap dan pengiraan Q; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 26.3.2, 26.3.4 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi
  4. Menganalisis

    Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis perbezaan reaktor nuklear terkawal (moderator, rod kawalan, penyejuk) dengan pelakuran di Matahari melalui jadual perbandingan.

    Bukti hasil kerja: Jadual perbandingan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 26.3.7, 26.3.8 · Latihan sepadan: aras Menganalisis
  5. Menilai

    Aktiviti: Murid menilai kaedah pelupusan sisa nuklear yang selamat dan mencadangkan penyelesaian jangka panjang dengan justifikasi keselamatan dan alam sekitar.

    Bukti hasil kerja: Laporan penilaian ringkas; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 26.3.9 · Latihan sepadan: aras Menilai

Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan

Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 109 unit Fizik STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.

Belajar & latih secara interaktifSemua unit Fizik STPM

Unit lain dalam Nuclear Physics

  1. 26.1 Nucleus
  2. 26.2 Radioactivity
  3. 26.3 Nuclear reactions