Номер 2, страница 218 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 59. Термоядерный синтез. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 2, страница 218.

2. Почему реакции слияния лёгких ядер могут протекать лишь при температурах порядка миллионов градусов?

Реакции слияния лёгких ядер, известные как термоядерный синтез, могут протекать только при чрезвычайно высоких температурах по двум основным причинам, связанным с силами, действующими между атомными ядрами.

Во-первых, все атомные ядра заряжены положительно, так как содержат протоны. Согласно закону Кулона, одноимённые заряды отталкиваются. Эта сила электростатического отталкивания создаёт так называемый кулоновский барьер, который мешает ядрам сблизиться. Сила отталкивания очень быстро растёт с уменьшением расстояния между ядрами.

Во-вторых, для того чтобы произошло слияние, ядра должны сблизиться на расстояние порядка $10^{-15}$ м. На таких сверхмалых расстояниях в действие вступает сильное ядерное взаимодействие. Это мощнейшая сила притяжения в природе, но она является короткодействующей, то есть проявляется только на очень малых дистанциях. Именно эта сила способна преодолеть кулоновское отталкивание и связать нуклоны (протоны и нейтроны) в новое, более тяжёлое ядро.

Чтобы преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия ядерных сил, ядра должны обладать огромной кинетической энергией. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц ($E_k \sim T$). Следовательно, для достижения необходимой для синтеза кинетической энергии вещество нужно нагреть до сверхвысоких температур — порядка десятков и сотен миллионов градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы, где атомы ионизированы, и ядра движутся с огромными скоростями, что позволяет им при столкновении преодолеть электростатическое отталкивание.

Стоит также отметить, что важную роль играет и квантово-механический туннельный эффект, благодаря которому ядро может «просочиться» сквозь кулоновский барьер, даже не обладая энергией, достаточной для его классического преодоления. Однако и для этого эффекта вероятность слияния становится существенной лишь при температурах в миллионы градусов.

Ответ: Реакции слияния лёгких ядер требуют температур порядка миллионов градусов, поскольку только при таких условиях положительно заряженные ядра приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы при столкновении преодолеть силы взаимного электростатического отталкивания (кулоновский барьер) и сблизиться на расстояние, на котором начинают действовать мощные короткодействующие ядерные силы, связывающие их в одно целое.