Physics · किताब 2 · Grades 10–12

माध्यमिक भौतिकी

माध्यमिक भौतिकी · Grades 10–12

33नाभिकीय ऊर्जा: विखंडन, संलयन, E=mc2

पेंसिल की रबड़ जितनी ईंधन-गोली किसी घर की साल भर की बिजली चुका देती है; वही सेवा कोयले से लेनी हो तो तीन टन लगते हैं। और ऊपर आसमान में सूर्य दिन के उजाले का दाम ख़ुद ग़ायब होकर चुकाता है — हर सेकंड अपने चालीस लाख टन। यह अध्याय दोनों सौदों के पीछे का बहीखाता खोलता है: द्रव्यमान स्वयं ऊर्जा है, और नाभिक (अध्याय 19) वे जगहें हैं जहाँ वह भुनाया जाता है।

33.1 द्रव्यमान ही ऊर्जा है

प्रमेय 33.1 (द्रव्यमान–ऊर्जा तुल्यता)

द्रव्यमान mm का पिंड केवल अस्तित्व में रहने भर से ऊर्जा रखता है:

E=mc2,c=3.00×108m/s.E = m c^2, \qquad c = 3.00 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

और जब भी कोई निकाय द्रव्यमान Δm\Delta m खोता है, वह ऊर्जा Δmc2\Delta m\, c^2 छोड़ देता है — क्रियाविधि चाहे जो हो।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत।

टिप्पणी 33.2 (आइंस्टाइन, 1905)

यह आइंस्टाइन का संबंध है, जिसे यहाँ मान लिया गया है; वह आता कहाँ से है, यह इसी वर्ष को समापित करते विशिष्ट-आपेक्षिकता वाले अध्याय का काम है (अध्याय 35)। दर पर ध्यान दीजिए: c2=9.00×1016J/kgc^2 = 9.00 \times 10^{16}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg} — यानी द्रव्यमान में गोल कर देने भर की चूक ऊर्जा की दृष्टि से एक ख़ज़ाना है।

परिभाषा 33.3 (इलेक्ट्रॉन-वोल्ट और परमाणु द्रव्यमान मात्रक)

नाभिक के नाप के दो मात्रक। इलेक्ट्रॉन-वोल्ट, यानी वह ऊर्जा जो कोई इलेक्ट्रॉन 1V1\,\mathrm{V} पार करते हुए पाता है (अध्याय 12): 1eV=1.60×1019J1\,\mathrm{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}, 1MeV=1.60×1013J1\,\mathrm{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\,\mathrm{J} — रासायनिक बंध कुछ eV\mathrm{eV} का सौदा करते हैं, और नाभिकीय अभिक्रियाएँ मेगाइलेक्ट्रॉन-वोल्ट का। और एकीकृत परमाणु द्रव्यमान मात्रक, यानी कार्बन-12 के परमाणु के द्रव्यमान का बारहवाँ भाग: 1u=1.66054×1027kg1\,\mathrm{u} = 1.660\,54 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, जिसका ऊर्जा-तुल्य 931.5MeV931.5\,\mathrm{MeV} है — 1u=931.5MeV/c21\,\mathrm{u} = 931.5\,\mathrm{MeV}/c^2

उदाहरण 33.4 (सोया हुआ ख़ज़ाना)

किसी भी चीज़ का एक किलोग्राम, पूरा-का-पूरा बदल दिया जाए, तो 9.00×1016J9.00 \times 10^{16}\,\mathrm{J} है — यानी किसी बड़े (1GW1\,\mathrm{GW}) शक्ति-संयंत्र का तीन साल का उत्पादन। 1905 से पहले इस पर किसी की नज़र इसलिए नहीं गई कि साधारण भौतिकी द्रव्यमान को मुश्किल से छूती है: एक किलोग्राम कोयला जलाने (3.0×107J3.0 \times 10^{7}\,\mathrm{J}) से वह माइक्रोग्राम के तिहाई भर हलका होता है। हम देखेंगे कि नाभिक हज़ार में एक भाग तक हिलते हैं: तब भी छोटा, पर रसायन से दस लाख गुना।

33.2 द्रव्यमान क्षति

परिभाषा 33.5 (द्रव्यमान क्षति और बंधन ऊर्जा)

नाभिक ZAX{}^{A}_{Z}\mathrm{X} (द्रव्यमान mm) तौलिए, फिर उसके ZZ प्रोटॉन और AZA - Z न्यूट्रॉन अलग-अलग तौलिए: भाग पूरे से भारी निकलते हैं। यह अंतर

Δm=Zmp+(AZ)mnm>0,mp=1.00728u,  mn=1.00866u,\Delta m = Z\,m_p + (A - Z)\,m_n - m > 0, \qquad m_p = 1.007\,28\,\mathrm{u},\; m_n = 1.008\,66\,\mathrm{u},

द्रव्यमान क्षति है; और बंधन ऊर्जा Eb=Δmc2E_b = \Delta m\,c^2 वह ऊर्जा है जो नाभिक को तोड़कर मुक्त न्यूक्लियॉनों में बाँटने के लिए चाहिए — और उतनी ही ऊर्जा जोड़ते समय छूटती है। बँधा हुआ नाभिक अपने भागों से नीचे बैठता है।

एक ऊर्जा-सीढ़ी: बँधा नाभिक अपने अलग किए गए न्यूक्लियॉनों से E_b नीचे पड़ता है — उसे जोड़ने पर E_b छूटता है, तोड़ने पर उतना ही लगता है।
एक ऊर्जा-सीढ़ी: बँधा नाभिक अपने अलग किए गए न्यूक्लियॉनों से EbE_b नीचे पड़ता है — उसे जोड़ने पर EbE_b छूटता है, तोड़ने पर उतना ही लगता है।

उदाहरण 33.6 (हीलियम-4)

24He{}^{4}_{2}\mathrm{He} नाभिक का m=4.00151um = 4.001\,51\,\mathrm{u} है; और उसके भाग: 2×1.00728+2×1.00866=4.03188u2 \times 1.00728 + 2 \times 1.00866 = 4.031\,88\,\mathrm{u}। इसलिए Δm=0.03037u\Delta m = 0.030\,37\,\mathrm{u} और Eb=0.03037×931.528.3MeVE_b = 0.03037 \times 931.5 \approx 28.3\,\mathrm{MeV}: यानी नाभिक अपने भागों से 0.75%0.75\% कम भारी है — उदाहरण 33.4 वाला वही “हज़ार में एक भाग”।

विधि 33.7 (नाभिकीय अभिक्रिया का ऊर्जा-लेखा)

  1. समीकरण संतुलित कीजिए: कुल AA और ZZ संरक्षित (अध्याय 19)।
  2. पहले वाले द्रव्यमान जोड़िए, फिर बाद वाले, u\mathrm{u} में — और पाँचों दशमलव रखिए।
  3. Δm=mपहलेmबाद\Delta m = m_{\text{पहले}} - m_{\text{बाद}}, फिर E=Δm(u में)×931.5MeVE = \Delta m\,(\text{u में}) \times 931.5\,\mathrm{MeV}, जो उत्पादों की गतिज ऊर्जा बनकर बह जाती है; और ऋणात्मक होने का अर्थ है कि अभिक्रिया का दाम चुकाना पड़ेगा।

33.3 वह वक्र जो ब्रह्मांड चलाता है

परिभाषा 33.8 (प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा)

संसंजन की न्यायपूर्ण तुलना प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा Eb/AE_b/A से होती है, यानी एक न्यूक्लियॉन खींच निकालने का औसत दाम: हीलियम-4 के लिए 28.3/47.1MeV28.3/4 \approx 7.1\,\mathrm{MeV}

प्रतिज्ञप्ति 33.9 (लोहे का शिखर, और नीचे उतरती दो सड़कें)

AA के सामने आलेखित करने पर प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा हलके नाभिकों में तेज़ी से चढ़ती है, लोहे के पास 2656Fe{}^{56}_{26}\mathrm{Fe} पर प्रति न्यूक्लियॉन लगभग 8.8MeV8.8\,\mathrm{MeV} के शिखर पर पहुँचती है, और फिर धीरे-धीरे फिसलकर यूरेनियम पर लगभग 7.6MeV7.6\,\mathrm{MeV} रह जाती है: यानी प्रकृति में सबसे कसकर बँधा नाभिक लोहा है। कोई अभिक्रिया ऊर्जा ठीक तभी छोड़ती है जब उसके उत्पाद वक्र पर ऊपर बैठें; इसलिए दो उलटी रणनीतियाँ, दोनों की दोनों, फ़ायदे का सौदा हैं और दोनों लोहे की ओर ही चलती हैं — सबसे भारी नाभिकों को तोड़ना, और सबसे हलकों को जोड़ना

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत।

टिप्पणी 33.10 (शिखर क्यों)

अध्याय 13 वाली वही रस्साकशी: प्रबल गोंद केवल छूते पड़ोसियों को बाँधती है, जबकि कूलॉम प्रतिकर्षण पूरे नाभिक पर फैला रहता है — इसलिए छोटे नाभिक ज़्यादातर सतह हैं, बड़े ज़्यादातर प्रतिकर्षण, और लोहा दोनों का समझौता। ईमानदार हिसाब विश्वविद्यालय के खंडों में रहता है।

प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा: तीखी चढ़ाई, लोहे का शिखर, और लंबी फिसलन — संलयन बाईं ओर से चढ़ता है, विखंडन दाईं ओर से, और दोनों ऊर्जा छोड़ते हैं।
प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा: तीखी चढ़ाई, लोहे का शिखर, और लंबी फिसलन — संलयन बाईं ओर से चढ़ता है, विखंडन दाईं ओर से, और दोनों ऊर्जा छोड़ते हैं।

33.4 विखंडन और शृंखला अभिक्रिया

परिभाषा 33.11 (विखंडन)

विखंडन किसी भारी नाभिक का दो मँझोले टुकड़ों में टूट जाना है। यूरेनियम-235 विखंडनीय है: कोई धीमा न्यूट्रॉन सोख लेने पर नाभिक इतना उत्तेजित हो जाता है कि दो टुकड़ों में फट पड़ता है और दो या तीन ताज़े न्यूट्रॉन उगल देता है — 01n+92235Uदो टुकड़े+23  01n{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \to \text{दो टुकड़े} + 2\text{--}3\;{}^{1}_{0}\mathrm{n}, जहाँ हर विखंडन में जोड़ा बदलता रहता है।

उदाहरण 33.12 (एक विखंडन, तौला हुआ)

विधि 33.7 वाला एक बहुधा होने वाला रास्ता:

01n+92235U3894Sr+54140Xe+201n.{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \longrightarrow {}^{94}_{38}\mathrm{Sr} + {}^{140}_{54}\mathrm{Xe} + 2\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}.

पहले: 1.00866+234.99350=236.00216u1.00866 + 234.99350 = 236.002\,16\,\mathrm{u}। बाद में: 93.89450+139.89200+2×1.00866=235.80382u93.89450 + 139.89200 + 2 \times 1.00866 = 235.803\,82\,\mathrm{u}। इसलिए Δm=0.19834u\Delta m = 0.198\,34\,\mathrm{u} और E185MeVE \approx 185\,\mathrm{MeV}; और रेडियोसक्रिय टुकड़ों के बाद के क्षय भी गिन लें (अध्याय 32) तो हर विखंडन लगभग 200MeV200\,\mathrm{MeV} का पड़ता है — जबकि कोयले का एक परमाणु कुछ eV\mathrm{eV} में मिल जाता है।

परिभाषा 33.13 (शृंखला अभिक्रिया और क्रांतिक द्रव्यमान)

हर विखंडन एक न्यूट्रॉन से जलता है और दो-तीन छोड़ जाता है: पर्याप्त बड़े ढेले में वे दूसरे नाभिकों से टकराते हैं और अभिक्रिया ख़ुद को खिलाने लगती है — यानी शृंखला अभिक्रिया। छोटे ढेले में अधिकांश न्यूट्रॉन पहले ही सतह से निकल भागते हैं; और शृंखला को टिकाए रखने वाली न्यूनतम मात्रा क्रांतिक द्रव्यमान है — उससे नीचे शृंखला फुस्स हो जाती है, और उससे ऊपर हर पीढ़ी कई गुना हो जाती है: यही बम का सिद्धांत है।

शृंखला अभिक्रिया: एक न्यूट्रॉन एक नाभिक तोड़ता है, और छूटे तीन न्यूट्रॉन तीन और तोड़ देते हैं — जबकि रिएक्टर ठीक एक को ही आगे बढ़ने देता है।
शृंखला अभिक्रिया: एक न्यूट्रॉन एक नाभिक तोड़ता है, और छूटे तीन न्यूट्रॉन तीन और तोड़ देते हैं — जबकि रिएक्टर ठीक एक को ही आगे बढ़ने देता है।

परिभाषा 33.14 (साधा हुआ रिएक्टर)

शक्ति-रिएक्टर शृंखला को ठीक एक न्यूट्रॉन प्रति विखंडन पर थामे रखता है। ईंधन: यूरेनियम-235 में मामूली रूप से समृद्ध की गई यूरेनियम की गोलियाँ। मंदक (आम तौर पर साधारण पानी) टक्करों से तेज़ विखंडन-न्यूट्रॉनों को धीमा कर देता है — और धीमे न्यूट्रॉन अगला विखंडन भड़काने में कहीं बेहतर हैं; जबकि नियंत्रक छड़ें (बोरॉन, कैडमियम) न्यूट्रॉन निगल जाती हैं — भीतर धकेलिए और शृंखला मर जाती है, बाहर खींचिए और वह तेज़ हो जाती है। और टुकड़ों की उत्तेजना ऊष्मा बनती है, फिर भाप, फिर बिजली (अध्याय 9)।

उदाहरण 33.15 (एक कालीमिर्च बनाम एक ट्रक)

एक ग्राम यूरेनियम-235 में N=1.0×103/(235×1.66054×1027)2.56×1021N = 1.0 \times 10^{-3} / (235 \times 1.660\,54 \times 10^{-27}) \approx 2.56 \times 10^{21} नाभिक होते हैं; हर एक 200MeV=3.2×1011J200\,\mathrm{MeV} = 3.2 \times 10^{-11}\,\mathrm{J} पर, सबको विखंडित कर देने से लगभग 8.2×1010J8.2 \times 10^{10}\,\mathrm{J} मिलता है — यानी 8.2×1010/3.0×1072.7×103kg8.2 \times 10^{10} / 3.0 \times 10^{7} \approx 2.7 \times 10^{3}\,\mathrm{kg} कोयले की रासायनिक ऊर्जा: एक कालीमिर्च बनाम तीन टन।

33.5 संलयन: सूर्य की अपनी आग

परिभाषा 33.16 (संलयन)

संलयन दो हलके नाभिकों का जुड़कर एक भारी और अधिक कसकर बँधा नाभिक बन जाना है। सबसे पहुँच में आती अभिक्रिया हाइड्रोजन के भारी समस्थानिकों ड्यूटीरियम और ट्रिटियम का ब्याह कराती है (अध्याय 19):

12H+13H24He+01n.{}^{2}_{1}\mathrm{H} + {}^{3}_{1}\mathrm{H} \longrightarrow {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}\mathrm{n}.

उदाहरण 33.17 (D–T, तौला हुआ)

पहले: 2.01355+3.01550=5.02905u2.01355 + 3.01550 = 5.029\,05\,\mathrm{u}; बाद में: 4.00151+1.00866=5.01017u4.00151 + 1.00866 = 5.010\,17\,\mathrm{u}; इसलिए Δm=0.01888u\Delta m = 0.018\,88\,\mathrm{u} और E17.6MeVE \approx 17.6\,\mathrm{MeV}, जिसका चार-पाँचवाँ हिस्सा न्यूट्रॉन पर जाता है — विखंडन से कम, पर 236236 के बजाय पाँच न्यूक्लियॉनों से: यानी प्रति किलोग्राम ईंधन लगभग 3.4×1014J3.4 \times 10^{14}\,\mathrm{J}, जो विखंडन का चार गुना है। और राख फिर वही हीलियम-4 (उदाहरण 33.6) है।

परिभाषा 33.18 (कूलॉम अवरोध)

दोनों नाभिक धनात्मक हैं: छूने के लिए उन्हें पहले अपने विद्युत प्रतिकर्षण की पहाड़ी चढ़नी पड़ती है (अध्याय 14) — यानी कूलॉम अवरोध। केवल 1×108K1 \times 10^{8}\,\mathrm{K} के आसपास ही टक्करें उसे पार करने लायक़ ऊर्जा ढोती हैं; और तब ईंधन नंगे नाभिकों और इलेक्ट्रॉनों का प्लाज़्मा बन चुका होता है। विखंडन को यह चुंगी नहीं चुकानी पड़ती: उसका पलीता, न्यूट्रॉन, उदासीन है और ठंडे में ही काम कर देता है।

उदाहरण 33.19 (सूर्य इसी पर चलता है)

सूर्य का क्रोड 1.5×107K1.5 \times 10^{7}\,\mathrm{K} पर साधारण हाइड्रोजन को क़दम-दर-क़दम संलयित करता है — यानी प्रोटॉन–प्रोटॉन शृंखला, जिसका शुद्ध असर 411H24He+2+10e+विकिरण4\,{}^{1}_{1}\mathrm{H} \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + 2\,{}^{0}_{+1}\mathrm{e} + \text{विकिरण} है और प्रति हीलियम लगभग 26MeV26\,\mathrm{MeV}: यानी हाइड्रोजन के द्रव्यमान का 0.7%0.7\% ऊर्जा बनकर निकल जाता है। जिस धूप का वर्णक्रम हम अध्याय 2 में पढ़ते हैं वह यही द्रव्यमान है, आठ मिनट की देर से पहुँचा हुआ; और हर तारा वक्र पर लोहे की ओर चलकर ही चमकता है।

टिप्पणी 33.20 (ITER: तारे को बोतल में भरना)

कोई ठोस 1.5×108K1.5 \times 10^{8}\,\mathrm{K} पर प्लाज़्मा थाम नहीं सकता; टोकामाक उसे चुंबकीय क्षेत्र में क़ैद कर लेता है (अध्याय 15), यानी क्षेत्र रेखाओं का ऐसा गोल-गप्पा जिसके अनुदिश आवेशित कण दीवार छुए बिना सर्पिल में चलते रहते हैं; और ITER, जो अपनी तापन-शक्ति का दस गुना छोड़ने के लिए बनाया गया है, इस समय का क़दम है। परिरोध टूट जाए तो प्लाज़्मा सेकंडों में ठंडा होकर रुक जाता है: न कोई शृंखला अभिक्रिया, न कोई क्रांतिक द्रव्यमान — यहाँ कठिन काम आग रोकना नहीं, उसे जलाए रखना है।

उदाहरण 33.21 (ऊर्जा की सीढ़ी, प्रति किलोग्राम)

प्रति किलोग्राम ईंधन ऊर्जा: कोयला, 3.0×107J3.0 \times 10^{7}\,\mathrm{J}; विखंडन से यूरेनियम-235, 8.2×1013J8.2 \times 10^{13}\,\mathrm{J}; संलयन से ड्यूटीरियम–ट्रिटियम, 3.4×1014J3.4 \times 10^{14}\,\mathrm{J}; और पूरा रूपांतरण (E=mc2E = mc^2), 9.0×1016J9.0 \times 10^{16}\,\mathrm{J}। रसायन और नाभिक के बीच छह कोटियाँ हैं — और इसीलिए रिएक्टर में ईंधन ट्रक से भरा जाता है और कोयला-संयंत्र में रेलगाड़ियों से।

33.6 अभ्यास

अभ्यास 33.1

बदलिए: (क) 1eV1\,\mathrm{eV} और 1MeV1\,\mathrm{MeV} को जूल में; (ख) एक विखंडन के 200MeV200\,\mathrm{MeV} को जूल में; (ग) 1u=1.66054×1027kg1\,\mathrm{u} = 1.660\,54 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} से जाँचिए कि उसका ऊर्जा-तुल्य 931.5MeV931.5\,\mathrm{MeV} के पास है।

हल

हल — अभ्यास 33.1.

(क) 1eV=1.60×1019J1\,\mathrm{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}; 1MeV=1.60×1013J1\,\mathrm{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\,\mathrm{J}। (ख) 200×1.60×1013=3.2×1011J200 \times 1.60 \times 10^{-13} = 3.2 \times 10^{-11}\,\mathrm{J}। (ग) E=1.66054×1027×9.00×1016=1.49×1010J=1.49×1010/1.60×10139.3×102MeVE = 1.660\,54 \times 10^{-27} \times 9.00 \times 10^{16} = 1.49 \times 10^{-10}\,\mathrm{J} = 1.49 \times 10^{-10}/1.60 \times 10^{-13} \approx 9.3 \times 10^{2}\,\mathrm{MeV} — यानी पाठ का 931.5MeV931.5\,\mathrm{MeV}, हमारे गोल किए हुए cc तक।

अभ्यास 33.2

चीनी की एक डली का द्रव्यमान 6.0g6.0\,\mathrm{g} है: उसका पूरा E=mc2E = mc^2 मान निकालिए। कोई घर प्रतिदिन 10kWh=3.6×107J10\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h} = 3.6 \times 10^{7}\,\mathrm{J} खींचता है — पूरी तरह बदल दी गई वह डली कितने वर्ष उसे शक्ति दे सकती है?

हल

हल — अभ्यास 33.2.

E=6.0×103×9.00×1016=5.4×1014JE = 6.0 \times 10^{-3} \times 9.00 \times 10^{16} = 5.4 \times 10^{14}\,\mathrm{J}; 5.4×1014/3.6×107=1.5×1075.4 \times 10^{14}/3.6 \times 10^{7} = 1.5 \times 10^{7} दिन 4.1×104\approx 4.1 \times 10^{4} वर्ष — यानी चीनी की एक डली पर चालीस सहस्राब्दियाँ।

अभ्यास 33.3

कार्बन-12 के नाभिक का द्रव्यमान 11.99671u11.996\,71\,\mathrm{u} है: उसकी द्रव्यमान क्षति, MeV\mathrm{MeV} में उसकी बंधन ऊर्जा, और उसकी प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा निकालिए (mp=1.00728um_p = 1.007\,28\,\mathrm{u}, mn=1.00866um_n = 1.008\,66\,\mathrm{u})।

हल

हल — अभ्यास 33.3.

Δm=6×1.00728+6×1.0086611.99671=0.09893u\Delta m = 6 \times 1.00728 + 6 \times 1.00866 - 11.99671 = 0.098\,93\,\mathrm{u}; Eb=0.09893×931.592.2MeVE_b = 0.09893 \times 931.5 \approx 92.2\,\mathrm{MeV}; प्रति न्यूक्लियॉन Eb/A7.68MeVE_b/A \approx 7.68\,\mathrm{MeV}

अभ्यास 33.4

हर विखंडन पूरा कीजिए और AA, ZZ तथा तत्व बताइए (Z=36Z = 36: क्रिप्टॉन, Z=52Z = 52: टेल्यूरियम): (क) 01n+92235U56144Ba+ZAX+301n{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \to {}^{144}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{A}_{Z}\mathrm{X} + 3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}; (ख) 01n+92235U4097Zr+ZAY+201n{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \to {}^{97}_{40}\mathrm{Zr} + {}^{A}_{Z}\mathrm{Y} + 2\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}

हल

हल — अभ्यास 33.4.

(क) A=2361443=89A = 236 - 144 - 3 = 89, Z=9256=36Z = 92 - 56 = 36: 3689Kr{}^{89}_{36}\mathrm{Kr}, क्रिप्टॉन। (ख) A=236972=137A = 236 - 97 - 2 = 137, Z=9240=52Z = 92 - 40 = 52: 52137Te{}^{137}_{52}\mathrm{Te}, टेल्यूरियम।

अभ्यास 33.5

प्रतिज्ञप्ति 33.9 का वक्र पढ़िए: हीलियम-4, कार्बन-12, लोहा-56 और यूरेनियम-235 के लिए Eb/AE_b/A का अनुमान लगाइए। सबसे कसकर बँधा कौन है? कौन विखंडन से ऊर्जा छोड़ सकता है, और कौन संलयन से?

हल

हल — अभ्यास 33.5.

प्रति न्यूक्लियॉन लगभग 7.17.1, 7.77.7, 8.88.8 और 7.6MeV7.6\,\mathrm{MeV}; और सबसे कसकर बँधा लोहा-56 है। यूरेनियम विखंडन से ऊर्जा छोड़ सकता है, तथा हीलियम-4 और कार्बन-12 संलयन से — दोनों चालें लोहे की ओर चढ़ती हैं; और लोहे के पास जाने को कहीं है ही नहीं।

अभ्यास 33.6 ★★

ड्यूटरॉन 12H{}^{2}_{1}\mathrm{H} का द्रव्यमान 2.01355u2.013\,55\,\mathrm{u} है: MeV\mathrm{MeV} में उसकी बंधन ऊर्जा निकालिए। रासायनिक बंध कुछ eV\mathrm{eV} ही थामता है — नाभिकीय “बंध” उसे कितने गुना से हरा देता है?

हल

हल — अभ्यास 33.6.

Δm=1.00728+1.008662.01355=0.00239u\Delta m = 1.00728 + 1.00866 - 2.01355 = 0.002\,39\,\mathrm{u}, इसलिए Eb2.23MeVE_b \approx 2.23\,\mathrm{MeV} — यानी रासायनिक बंध के कुछ eV\mathrm{eV} का लगभग दस लाख गुना।

अभ्यास 33.7 ★★

विखंडन 01n+92235U56144Ba+3689Kr+301n{}^{1}_{0}\mathrm{n} + {}^{235}_{92}\mathrm{U} \to {}^{144}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{89}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n} तौलिए: द्रव्यमान 234.99350u234.993\,50\,\mathrm{u} (U), 143.89220u143.892\,20\,\mathrm{u} (Ba), 88.89790u88.897\,90\,\mathrm{u} (Kr), 1.00866u1.008\,66\,\mathrm{u} (न्यूट्रॉन)। छूटी ऊर्जा, MeV\mathrm{MeV} और जूल में?

हल

हल — अभ्यास 33.7.

पहले: 236.00216u236.002\,16\,\mathrm{u}; बाद में: 143.89220+88.89790+3×1.00866=235.81608u143.89220 + 88.89790 + 3 \times 1.00866 = 235.816\,08\,\mathrm{u}; Δm=0.18608u\Delta m = 0.186\,08\,\mathrm{u}, इसलिए E173MeV=173×1.60×10132.8×1011JE \approx 173\,\mathrm{MeV} = 173 \times 1.60 \times 10^{-13} \approx 2.8 \times 10^{-11}\,\mathrm{J}

अभ्यास 33.8 ★★

एक और संलयन: 12H+12H23He+01n{}^{2}_{1}\mathrm{H} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \to {}^{3}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}\mathrm{n}, जहाँ m(23He)=3.01493um({}^{3}_{2}\mathrm{He}) = 3.014\,93\,\mathrm{u}। छूटी ऊर्जा निकालिए। D–T से इतनी कम क्यों? (सोचिए कि हर उत्पाद वक्र पर कहाँ बैठता है।)

हल

हल — अभ्यास 33.8.

Δm=2×2.013553.014931.00866=0.00351u\Delta m = 2 \times 2.01355 - 3.01493 - 1.00866 = 0.003\,51\,\mathrm{u}: E3.27MeVE \approx 3.27\,\mathrm{MeV}। D–T हीलियम-4 बनाता है, जो असामान्य रूप से कसकर बँधा है (प्रति न्यूक्लियॉन 7.1MeV7.1\,\mathrm{MeV}); जबकि हीलियम-3 वक्र पर कहीं नीचे बैठता है, इसलिए यह क़दम कहीं कम छोड़ता है।

अभ्यास 33.9 ★★

हर एक पर कुछ पंक्तियों में समझाइए: (क) विखंडन को कोई तापन क्यों नहीं चाहिए जबकि संलयन लगभग 1×108K1 \times 10^{8}\,\mathrm{K} माँगता है; (ख) सूर्य “केवल” 1.5×107K1.5 \times 10^{7}\,\mathrm{K} पर भी कैसे निभा लेता है (भीड़ का नाप, उसके सबसे तेज़ सदस्य); (ग) कोई संलयन-संयंत्र शृंखला अभिक्रिया की तरह बेक़ाबू क्यों नहीं हो सकता।

हल

हल — अभ्यास 33.9.

(क) न्यूट्रॉन उदासीन है: कोई कूलॉम अवरोध नहीं, इसलिए विखंडन ठंडे में ही चल पड़ता है। पर संलयित होते दोनों नाभिक धनात्मक हैं और उन्हें अवरोध चढ़ना ही पड़ता है, इसलिए केवल 1×108K\sim 1 \times 10^{8}\,\mathrm{K} की उत्तेजना ही इतनी हिंसक टक्करें देती है। (ख) क्रोड में प्रोटॉनों की खगोलीय संख्या है; और भीड़ के गिने-चुने सबसे तेज़ सदस्य ही संलयन करते हैं, जबकि सूर्य के पास अरबों वर्ष हैं — धीमी आँच ही तो तारे को चाहिए। (ग) यहाँ न्यूट्रॉनों का कोई हिमस्खलन नहीं होता: हर संलयन अपनी ही टक्कर से ख़रीदा जाता है, और परिरोध ज़रा भी टूटे तो प्लाज़्मा ठंडा होकर आग बुझा देता है।

अभ्यास 33.10 ★★

सूर्य की शुद्ध अभिक्रिया चार प्रोटॉन (mp=1.00728um_p = 1.007\,28\,\mathrm{u}) को एक हीलियम-4 नाभिक (4.00151u4.001\,51\,\mathrm{u}) में बदल देती है: प्रति बने हीलियम ऊर्जा MeV\mathrm{MeV} में निकालिए, और आरंभिक द्रव्यमान का बदला हुआ अंश भी।

हल

हल — अभ्यास 33.10.

Δm=4×1.007284.00151=0.02761u\Delta m = 4 \times 1.00728 - 4.00151 = 0.027\,61\,\mathrm{u}, इसलिए E25.7MeVE \approx 25.7\,\mathrm{MeV}; और द्रव्यमान का बदला हुआ अंश 0.02761/4.029120.7%0.02761/4.02912 \approx 0.7\%

अभ्यास 33.11 ★★

पानी से मंदित किसी रिएक्टर में: (क) मंदक क्या करता है, और शृंखला को उसकी ज़रूरत क्यों है? (ख) नियंत्रक छड़ें? (ग) ठंडा करने वाला पानी ही मंदक है: उसके निकल जाने से शृंखला तेज़ होने के बजाय घुट क्यों जाती है?

हल

हल — अभ्यास 33.11.

(क) वह टक्करों से विखंडन-न्यूट्रॉनों को धीमा कर देता है; और धीमे न्यूट्रॉन यूरेनियम-235 को विखंडित करने में कहीं अधिक सक्षम हैं, इसलिए शृंखला को उनकी ज़रूरत है। (ख) वे न्यूट्रॉन सोख लेती हैं और शृंखला को प्रति विखंडन एक न्यूट्रॉन पर थामे रखती हैं — भीतर धकेलिए और वह मर जाती है। (ग) पानी नहीं तो मंदन नहीं: न्यूट्रॉन तेज़ ही रह जाते हैं, चूक जाते हैं, और शृंखला घुट जाती है — यानी डिज़ाइन “बंद” की ओर विफल होती है।

अभ्यास 33.12 ★★★

बेक़ाबू शृंखला हर पीढ़ी पर दुगुनी हो जाती है। एक विखंडन से चलकर एक ग्राम यूरेनियम-235 के 2.56×10212.56 \times 10^{21} नाभिकों को विखंडित होने में लगभग कितनी पीढ़ियाँ लगेंगी (2101032^{10} \approx 10^{3})? प्रति पीढ़ी लगभग 10ns10\,\mathrm{ns} पर यह कितना समय है — और तब क्रांतिकता की इतनी सावधानी से रखवाली क्यों की जाती है?

हल

हल — अभ्यास 33.12.

विखंडन हर पीढ़ी पर दुगुने हो जाते हैं, इसलिए nn पीढ़ियों बाद लगभग 2n2^n टूट चुके होते हैं; और 2n=2.56×10212×(103)72712^{n} = 2.56 \times 10^{21} \approx 2 \times (10^{3})^{7} \approx 2^{71} से n71n \approx 71 मिलता है। समय: 71×10ns0.7µs71 \times 10\,\mathrm{ns} \approx 0.7\,\text{µ}\mathrm{s} — यानी एक ग्राम ईंधन, तीन टन कोयले भर, एक माइक्रोसेकंड से भी कम में: क्रांतिकता कोई ढलान नहीं, खाई है।

अभ्यास 33.13 ★★★

क्या लोहे को विखंडित करके ऊर्जा खोदी जा सकती है? 2656Fe21428Si{}^{56}_{26}\mathrm{Fe} \to 2\,{}^{28}_{14}\mathrm{Si} तौलिए, जहाँ m(Fe)=55.92066um(\mathrm{Fe}) = 55.920\,66\,\mathrm{u}, m(Si)=27.96924um(\mathrm{Si}) = 27.969\,24\,\mathrm{u}Δm\Delta m निकालिए और वक्र के पदों में निष्कर्ष लिखिए कि लोहा नाभिकीय राख क्यों है: किसी काम का ईंधन नहीं।

हल

हल — अभ्यास 33.13.

Δm=55.920662×27.96924=0.01782u\Delta m = 55.92066 - 2 \times 27.96924 = -0.017\,82\,\mathrm{u}: E16.6MeVE \approx -16.6\,\mathrm{MeV} — यानी यह टूटन ऊर्जा सोख लेती है। लोहा शिखर पर बैठा है: उसे विखंडित करना हो या संलयित, दोनों बंधन में नीचे उतरते हैं और दोनों का दाम ऊर्जा है। वह हर नाभिकीय आग की राख है।

अभ्यास 33.14 ★★★

m(2656Fe)=55.92066um({}^{56}_{26}\mathrm{Fe}) = 55.920\,66\,\mathrm{u} और m(92235U)=234.99350um({}^{235}_{92}\mathrm{U}) = 234.993\,50\,\mathrm{u} से दोनों के लिए Eb/AE_b/A निकालिए (mp=1.00728um_p = 1.007\,28\,\mathrm{u}, mn=1.00866um_n = 1.008\,66\,\mathrm{u})। विखंडन के टुकड़े प्रति न्यूक्लियॉन लगभग 8.5MeV8.5\,\mathrm{MeV} पर बैठते हैं: दोनों स्तरों से एक विखंडन की ऊर्जा का अनुमान लगाइए, और उदाहरण 33.12 से तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 33.14.

Fe: Δm=26×1.00728+30×1.0086655.92066=0.52842u\Delta m = 26 \times 1.00728 + 30 \times 1.00866 - 55.92066 = 0.528\,42\,\mathrm{u}, Eb492MeVE_b \approx 492\,\mathrm{MeV}, Eb/A8.79MeVE_b/A \approx 8.79\,\mathrm{MeV}। U: Δm=92×1.00728+143×1.00866234.99350=1.91464u\Delta m = 92 \times 1.00728 + 143 \times 1.00866 - 234.99350 = 1.914\,64\,\mathrm{u}, Eb1784MeVE_b \approx 1784\,\mathrm{MeV}, Eb/A7.59MeVE_b/A \approx 7.59\,\mathrm{MeV}235235 न्यूक्लियॉनों को 7.59MeV7.59\,\mathrm{MeV} के बजाय 8.5MeV8.5\,\mathrm{MeV} पर फिर से पैक करने से 235×0.92×102MeV235 \times 0.9 \approx 2 \times 10^{2}\,\mathrm{MeV} मिलता है — यानी हल किए गए उदाहरण का 185185200200

अभ्यास 33.15 ★★★

ITER 500MW500\,\mathrm{MW} की संलयन-शक्ति का लक्ष्य रखता है। प्रति D–T अभिक्रिया 17.6MeV17.6\,\mathrm{MeV} (और खपा हुआ ईंधन 5.029u5.029\,\mathrm{u}) पर प्रति सेकंड अभिक्रियाएँ निकालिए, फिर प्रतिदिन जला ईंधन। 500MW500\,\mathrm{MW} की कोयला-भट्ठी प्रतिदिन लगभग 1.4×106kg1.4 \times 10^{6}\,\mathrm{kg} जलाती है: तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 33.15.

प्रति सेकंड 5.0×108/2.82×10121.8×10205.0 \times 10^{8}/2.82 \times 10^{-12} \approx 1.8 \times 10^{20} अभिक्रियाएँ; द्रव्यमान-दर 1.8×1020×5.029×1.66054×10271.5×106kg/s1.8 \times 10^{20} \times 5.029 \times 1.660\,54 \times 10^{-27} \approx 1.5 \times 10^{-6}\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}, यानी प्रतिदिन लगभग 0.13kg0.13\,\mathrm{kg} — जबकि कोयला 1.4×1061.4 \times 10^{6} किलोग्राम: यानी एक करोड़ के मुक़ाबले एक।

33.7 समस्या: किसी शहर को बिजली देना

समस्या 33.1

सप्ताहांत समस्या — किसी शहर को बिजली देना: पाँच लाख लोगों के लिए एक स्थिर गीगावाट, चार तरह से ख़रीदा हुआ — यूरेनियम की गोलियाँ, कोयले की रेलगाड़ियाँ, समुद्र के पानी का एक ताल, और ख़ुद सूर्य का पदार्थ — और चारों के नीचे छिपा वही एक किलोग्राम ग़ायब हुआ द्रव्यमान

500000500\,000 निवासियों का एक शहर स्थिर विद्युत शक्ति P=1.0GWP = 1.0\,\mathrm{GW} खींचता है; और उसके संयंत्र, ईंधन चाहे जो हो, ऊष्मा को दक्षता 33%33\% (अध्याय 9) से बिजली में बदलते हैं। आँकड़े: यूरेनियम-235 का एक विखंडन, कुल मिलाकर 200MeV200\,\mathrm{MeV}; कोयला, 3.0×107J/kg3.0 \times 10^{7}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg}; एक D–T संलयन, 5.029u5.029\,\mathrm{u} ईंधन से 17.6MeV17.6\,\mathrm{MeV}; 1u=1.66054×1027kg1\,\mathrm{u} = 1.660\,54 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}; 1eV=1.60×1019J1\,\mathrm{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}; एक वर्ष =3.16×107s= 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}; सूर्य: 3.9×1026W3.9 \times 10^{26}\,\mathrm{W}, 2.0×1030kg2.0 \times 10^{30}\,\mathrm{kg}; और समुद्र के पानी के एक घन मीटर में लगभग 33g33\,\mathrm{g} ड्यूटीरियम होता है।

भाग I — विखंडन-संयंत्र।

  1. रिएक्टर को कितनी तापीय शक्ति देनी होगी?
  2. एक विखंडन की ऊर्जा जूल में लिखिए।
  3. शहर को चलाने के लिए प्रति सेकंड कितने विखंडन चाहिए?
  4. यूरेनियम-235 के एक नाभिक का द्रव्यमान (A=235A = 235), फिर प्रति सेकंड खपा यूरेनियम-235?
  5. इससे एक वर्ष में खपा यूरेनियम-235 किलोग्राम में निकालिए।
  6. ईंधन 4.0%4.0\% यूरेनियम-235 तक समृद्ध किया गया है: एक वर्ष में कितना द्रव्यमान लगेगा, और क्या वह एक ट्रक पर आ जाएगा?

भाग II — कोयले का बहीखाता।

  1. शहर एक वर्ष में जितनी तापीय ऊर्जा खपाता है, वह निकालिए।
  2. उतनी ऊर्जा कितने द्रव्यमान का कोयला देगा?
  3. एक वर्ष के लिए (कोयले का द्रव्यमान)/(यूरेनियम-235 का द्रव्यमान) अनुपात निकालिए, और उसे उदाहरण 33.21 की सीढ़ी से जाँचिए।
  4. मालगाड़ी 3.0×106kg3.0 \times 10^{6}\,\mathrm{kg} ढोती है: प्रति वर्ष और प्रतिदिन कितनी गाड़ियाँ? एक वाक्य में दोनों आपूर्ति-रेखाओं का चित्र खींचिए।

भाग III — संलयन का सपना।

  1. एक D–T संलयन की ऊर्जा जूल में लिखिए।
  2. प्रति किलोग्राम D–T ईंधन छूटी ऊर्जा निकालिए; सीढ़ी से तुलना कीजिए।
  3. शहर के एक वर्ष के लिए कितना D–T ईंधन चाहिए? उसमें से कितना ड्यूटीरियम है (5.029u5.029\,\mathrm{u} का 2.0142.014)?
  4. उतना ड्यूटीरियम समुद्र के पानी के कितने आयतन में है? लगभग 2.5×103m32.5 \times 10^{3}\,\mathrm{m}^{3} वाले ओलंपिक ताल से तुलना कीजिए। (ट्रिटियम लीथियम से बनाया जाता है।)
  5. इस संयंत्र को न कोई क्रांतिक द्रव्यमान डराता है न कोई शृंखला अभिक्रिया — क्यों? तो फिर कठिन काम क्या है?

भाग IV — वह तारा जो द्रव्यमान में चुकाता है।

  1. E=mc2E = mc^2 से सूर्य हर सेकंड कितना द्रव्यमान बदल देता है?
  2. किसी भी 3.0GW3.0\,\mathrm{GW} तापीय स्रोत को प्रति सेकंड और प्रति वर्ष कितना द्रव्यमान बदलना पड़ेगा? जाँचिए कि तीनों ईंधन यही एक द्रव्यमान सौंपते हैं।
  3. सूर्य ने अपने 4.5×1094.5 \times 10^{9} वर्षों में कुल कितना द्रव्यमान विकिरित कर दिया है, और वह सूर्य का कितना अंश है?
  4. संलयन सूर्य के द्रव्यमान का लगभग 0.07%0.07\% ही छू सकता है (उसके क्रोड का जलने लायक़ हिस्सा): तारे के रूप में उसकी कुल आयु और बाद में बचने वाली चीज़ का अनुमान लगाइए।
  5. लेखा तीन वाक्यों में बंद कीजिए: शहर का एक वर्ष कितने टन कोयला, कितने किलोग्राम यूरेनियम-235 और कितने किलोग्राम D–T ईंधन माँगता है — और वह किलोग्राम द्रव्यमान जो हर परिदृश्य में शहर की रोशनी बन गया।
हल

हल — समस्या 33.1.

1. Pऊष्मीय=1.0×109/0.333.0GWP_{\text{ऊष्मीय}} = 1.0 \times 10^{9}/0.33 \approx 3.0\,\mathrm{GW}

2. 200×1.60×1013=3.2×1011J200 \times 1.60 \times 10^{-13} = 3.2 \times 10^{-11}\,\mathrm{J}

3. प्रति सेकंड 3.0×109/3.2×10119.4×10193.0 \times 10^{9}/3.2 \times 10^{-11} \approx 9.4 \times 10^{19} विखंडन

4. mU=235×1.66054×1027=3.90×1025kgm_{\mathrm U} = 235 \times 1.660\,54 \times 10^{-27} = 3.90 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}; 9.4×1019×3.90×10253.7×105kg/s9.4 \times 10^{19} \times 3.90 \times 10^{-25} \approx 3.7 \times 10^{-5}\,\mathrm{kg}/\mathrm{s} — यानी प्रति सेकंड कोई चालीस माइक्रोग्राम।

5. 3.7×105×3.16×1071.2×103kg3.7 \times 10^{-5} \times 3.16 \times 10^{7} \approx 1.2 \times 10^{3}\,\mathrm{kg}: यानी साल भर में लगभग 1.21.2 टन यूरेनियम-235।

6. 1.2×103/0.0402.9×104kg1.2 \times 10^{3}/0.040 \approx 2.9 \times 10^{4}\,\mathrm{kg} — यानी कोई 2929 टन ईंधन: साल में एक बार, एक भारी ट्रक।

7. 3.0×109×3.16×1079.5×1016J3.0 \times 10^{9} \times 3.16 \times 10^{7} \approx 9.5 \times 10^{16}\,\mathrm{J}

8. 9.5×1016/3.0×1073.2×109kg9.5 \times 10^{16}/3.0 \times 10^{7} \approx 3.2 \times 10^{9}\,\mathrm{kg}: 3.23.2 लाख टन कोयला।

9. 3.2×109/1.2×1032.7×1063.2 \times 10^{9}/1.2 \times 10^{3} \approx 2.7 \times 10^{6} — यानी सीढ़ी का 8.2×1013/3.0×1078.2 \times 10^{13}/3.0 \times 10^{7}, जैसा होना ही चाहिए।

10. साल में 3.2×109/3.0×10610603.2 \times 10^{9}/3.0 \times 10^{6} \approx 1060 गाड़ियाँ, यानी मोटे तौर पर रोज़ तीन: सुबह, दोपहर और शाम को एक कोयला-गाड़ी, हमेशा के लिए — और सामने हर वसंत में एक ट्रक।

11. 17.6×1.60×1013=2.82×1012J17.6 \times 1.60 \times 10^{-13} = 2.82 \times 10^{-12}\,\mathrm{J}

12. एक जोड़े का वज़न 5.029×1.66054×1027=8.35×1027kg5.029 \times 1.660\,54 \times 10^{-27} = 8.35 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} है: 2.82×1012/8.35×10273.4×1014J/kg2.82 \times 10^{-12}/8.35 \times 10^{-27} \approx 3.4 \times 10^{14}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg} — यानी सीढ़ी का संलयन वाला पायदान।

13. 9.5×1016/3.4×10142.8×102kg9.5 \times 10^{16}/3.4 \times 10^{14} \approx 2.8 \times 10^{2}\,\mathrm{kg} D–T; और उसमें ड्यूटीरियम का हिस्सा 280×2.014/5.0291.1×102kg280 \times 2.014/5.029 \approx 1.1 \times 10^{2}\,\mathrm{kg}

14. 1.1×102/3.3×1023.4×103m31.1 \times 10^{2}/3.3 \times 10^{-2} \approx 3.4 \times 10^{3}\,\mathrm{m}^{3} समुद्री पानी — यानी पूरे शहर के एक वर्ष के लिए लगभग डेढ़ ताल।

15. यहाँ कुछ गुणित नहीं होता: कोई न्यूट्रॉन अगला संलयन नहीं जलाता, और परिरोध छूटते ही प्लाज़्मा ठंडा होकर सेकंडों में रुक जाता है। कठिन काम उलटा है — 1.5×108K1.5 \times 10^{8}\,\mathrm{K} को इतनी देर एक साथ थामे रखना कि वह जल सके।

16. 3.9×1026/9.00×10164.3×109kg/s3.9 \times 10^{26}/9.00 \times 10^{16} \approx 4.3 \times 10^{9}\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}: यानी हर सेकंड चालीस लाख टन।

17. 3.0×109/9.00×10163.3×108kg/s3.0 \times 10^{9}/9.00 \times 10^{16} \approx 3.3 \times 10^{-8}\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}, यानी साल भर में 3.3×108×3.16×1071.0kg3.3 \times 10^{-8} \times 3.16 \times 10^{7} \approx 1.0\,\mathrm{kg} — और हाँ: 1.2×103kg×0.0008511.2 \times 10^{3}\,\mathrm{kg} \times 0.00085 \approx 1, 3.2×109×3.3×101013.2 \times 10^{9} \times 3.3 \times 10^{-10} \approx 1, 280×0.003751280 \times 0.00375 \approx 1। हर ईंधन वही एक किलोग्राम सौंपता है; फ़र्क़ केवल इतना है कि उसे ढोने को कितना माल चाहिए।

18. 4.3×109×3.16×107×4.5×1096.1×1026kg4.3 \times 10^{9} \times 3.16 \times 10^{7} \times 4.5 \times 10^{9} \approx 6.1 \times 10^{26}\,\mathrm{kg} — यानी केवल 6.1×1026/2.0×10303×1046.1 \times 10^{26}/2.0 \times 10^{30} \approx 3 \times 10^{-4}, दस हज़ार में तीन भाग।

19. बदले जा सकने वाला द्रव्यमान 0.0007×2.0×1030=1.4×1027kg0.0007 \times 2.0 \times 10^{30} = 1.4 \times 10^{27}\,\mathrm{kg}, यानी 1.4×1027×9.00×10161.3×1044J1.4 \times 10^{27} \times 9.00 \times 10^{16} \approx 1.3 \times 10^{44}\,\mathrm{J}; और 3.9×1026W3.9 \times 10^{26}\,\mathrm{W} पर वह 1.3×1044/3.9×10263.2×1017s1.0×10101.3 \times 10^{44}/ 3.9 \times 10^{26} \approx 3.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s} \approx 1.0 \times 10^{10} वर्ष चलेगा — दस अरब, जिनमें से कोई पाँच अरब अभी बाक़ी हैं।

20. शहर का एक वर्ष: 3.23.2 लाख टन कोयला, या 1.2×1031.2 \times 10^{3} किलोग्राम यूरेनियम-235, या डेढ़ ताल भर समुद्री पानी से खींचा गया 2.8×1022.8 \times 10^{2} किलोग्राम D–T। और हर बहीखाते के नीचे वही एक प्रविष्टि: एक किलोग्राम द्रव्यमान, ग़ायब। E=mc2E = mc^2 को इससे कोई मतलब नहीं कि उसे कौन-सा ईंधन ढोता है — मतलब केवल इससे है कि उसके लिए कितना बड़ा ट्रक चाहिए।