LEGO är inte bara en leksak för stora och små barn. Det kan användas på olika sätt i undervisning. Lewis från @PhysicsOnline har gjort en video som bygger på olika projekt: https://www.youtube.com/watch?v=6aP4brVt5RA.
Här finns en hel del ideer som man kan ta upp. I videon presenteras en LEGO version av Nuclidkartan med Mass exess. Även om modellen är mycket illustrativ är den stor och dyr. I stället för att använda LEGO har jag gjort en version som kan 3D printas. Filer för printing kan erhållas från mig efter begäran.
Med denna ser man hur massan per nucleon varierar och gör att man kan se att man har ett minimum runt Fe-56. Här ser man att vi har en dal med stabilitet och man kan kvalitativt visa att man frigör energi vid fission och fusion av vissa kärnor. Man kan jämföra denna representation med diagram som visar bindningsenergi per nucleon.
Problemet är att denna visar bindningsenergin per nukleon och är lite svår att förstå, genom att den intuitivt ser ut att ligga åt fel håll. Det är inte helt enkelt att se att man frigör energi genom att öka bindningsenergin. I många läroböcker på lägre nivå har man löst detta genom att vända den upp och ner eller genom att man arbetar med massor och räknar ut vad den frigörda energin blir. Något som inte ger en bild av vad som sker.
Ett sätt att undvika detta är att arbeta med Mass Excess, Massöverskott, som är definierat som den «experimentalla massan» minus masstalet.
Som exempel är masstalet 236U, 236, och den faktiska massan är 236,045563 u, blir massöverskottet +0,045563 u eller i energienheter, 42444.6 keV/c2.
Problemet man får är att den atomära massenheten, u, är definierad efter massan till 12C, något som gör att Mass excess har positiva värden för låga masstal och höga masstal och negativa värden för massor där emellan. I 3D och LEGO modellen flyttar man bara nollpunkten vilket inte är några problem. Dock blir det då svårt att visa frigjorda energier på ett visuellt sätt för fission.
Men detta är inget problem med fusion så länge som Mass excess inte blir negativ. Det man gör är att man bara arbetar med Mass excess då masstalet försvinner i reaktuonerna då det blir samma på båda sidor om likhetstecknet.
Vi börjar genom att gå till tabeller med Mass excess (https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html) och ser vad vi har för värden för ett utval kärnor:
- 1n 8,07 MeV/c2
- 1H 7,29 MeV/c2
- 2H 13,13 MeV/c2
- 3H 14,95 MeV/c2
- 3He 14,93 MeV/c2
- 4He 2,42 MeV/c2
Nu kan man bygga upp block i Lego där en normal bricka motsvarar 1 MeV/c2 och en platta en 1/3 MeV/c2 med en avrundning.
Ta nu en fusionreaktion:
2H+2H -> 3H + 1H
Sätt upp två 2H block (13 LEGO block höga) på vänster sida och ett 3H block (15 LEGO block hög) och ett 1H block (7 LEGO block och en platta hög). Skillnaden i LEGO block motsvarar nu den frigjorda energin, ca 4 MeV.
Nu kan man prova med andra möjligheter och se vad man får. Skillnaden i höjd mellan olika reaktioner ger den frigjorda energin.
I figuren visas olika reaktioner och den frigjorda energin i LEGO block.
I ordning från längst bort:
2H+2H => 3H + 1H (energin visas inte); 13,13+13,13=>14,95+7,29 + 4,02 [MeV/c2]
2H+2H => 3He + 1n (energin visas inte); 13,13+13,13=>14,93+8,07 + 3,26 [MeV/c2]
2H+3He => 4He + 1H; 13,13+14,93=>2,42+7,29 + 18,35 [MeV/c2]
2H+3H => 4He + 1n; 13,13+14,95=>2,42+8,07 + 17,58 [MeV/c2]
Detta kan inte ersätta beräkningar, men är ett sätt som kanske kan göra det enklare att få en intuitiv känsla för vad som sker.