Номер 9, страница 21, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

9. Почему в земных условиях не происходят ядерные реакции?

Решение

Ядерные реакции, в отличие от химических, затрагивают изменения в составе атомных ядер и требуют для своего протекания чрезвычайно специфических и экстремальных условий, которые в естественной среде на Земле отсутствуют. Основными типами ядерных реакций, высвобождающих энергию, являются термоядерный синтез и деление ядер. Невозможность их самопроизвольного протекания в земных условиях объясняется следующими причинами для каждого типа реакций.

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это процесс слияния легких атомных ядер (например, изотопов водорода) в более тяжелые, что сопровождается выделением огромного количества энергии. Этот процесс является источником энергии звезд, включая наше Солнце.

Для того чтобы два положительно заряженных ядра слились, им необходимо преодолеть силу электростатического отталкивания, известную как кулоновский барьер. Это возможно только при условиях, которые не существуют в природе на Земле:

• Сверхвысокая температура: Температура должна достигать десятков и сотен миллионов градусов по Цельсию. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы, а ядра атомов приобретают огромную кинетическую энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера при столкновении.
• Сверхвысокое давление и плотность: Высокое давление, создаваемое гравитацией в недрах звезд, обеспечивает высокую плотность плазмы. Это увеличивает частоту столкновений ядер, делая реакции синтеза возможными и самоподдерживающимися.

Температура и давление в ядре Земли, хотя и высоки по нашим меркам (около 6000o C), на много порядков ниже тех, что требуются для запуска термоядерных реакций.

Деление ядер

Деление ядер — это процесс, при котором ядро тяжелого элемента (например, урана) расщепляется на два или более легких ядра, высвобождая энергию и несколько нейтронов. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер, что приводит к цепной реакции.

В земных условиях естественные самоподдерживающиеся цепные реакции деления не происходят по двум основным причинам:

• Недостаточная концентрация делящегося материала: Для цепной реакции необходим изотоп, способный к делению под действием нейтронов, например, уран-235 ($^{235}\text{U}$). В природном уране его содержание составляет всего около 0,72%, а основную массу (99,27%) составляет уран-238 ($^{238}\text{U}$), который не поддерживает цепную реакцию. Такой низкой концентрации $^{235}\text{U}$ недостаточно для запуска естественной цепной реакции. В ядерных реакторах и оружии используется искусственно обогащенный уран с гораздо более высоким содержанием $^{235}\text{U}$.
• Отсутствие необходимых условий: В истории Земли известен уникальный случай — природный ядерный реактор в Окло (Габон), который функционировал около 2 миллиардов лет назад. Тогда из-за меньшего времени распада концентрация $^{235}\text{U}$ в природном уране была выше (около 3,7%), а наличие грунтовых вод в качестве замедлителя нейтронов создало локальные условия для возникновения цепной реакции. Сегодня из-за радиоактивного распада концентрация $^{235}\text{U}$ значительно снизилась, и такие условия на планете больше не встречаются.

Таким образом, хотя отдельные акты радиоактивного распада (включая спонтанное деление) в природе происходят постоянно, самоподдерживающиеся ядерные реакции в макроскопических масштабах (как синтез, так и цепное деление) в земных условиях естественным образом не возникают из-за отсутствия необходимых колоссальных температур, давлений или достаточной концентрации делящихся материалов.

Ответ: В земных условиях не происходят самоподдерживающиеся ядерные реакции, поскольку для термоядерного синтеза отсутствуют необходимые сверхвысокие температуры и давление (миллионы градусов), а для цепной реакции деления — недостаточна естественная концентрация делящихся изотопов (например, урана-235).