Страница 224 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Подготовьте дискуссию «Ядерная энергетика — плюсы и минусы».

Ядерная (атомная) энергетика — это отрасль, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии за счет управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых элементов, чаще всего урана. Этот источник энергии является предметом острых общественных и научных дискуссий, так как имеет весомые преимущества и не менее серьезные недостатки.

Плюсы

• Высокая энергоэффективность. Атомные электростанции (АЭС) обладают колоссальной мощностью. Небольшое количество ядерного топлива способно выделить огромное количество энергии. Например, 1 кг урана с обогащением до 4% при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного угля или 60 тонн нефти.
• Низкие выбросы парниковых газов. В процессе работы АЭС не происходит сжигания ископаемого топлива, поэтому прямые выбросы углекислого газа (CO₂), главного виновника глобального потепления, практически отсутствуют. Это делает ядерную энергетику одним из ключевых инструментов в борьбе с изменением климата.
• Стабильность и надежность. В отличие от возобновляемых источников, таких как солнечные и ветровые станции, работа АЭС не зависит от погодных условий и времени суток. Они способны работать в режиме базовой нагрузки, обеспечивая стабильное энергоснабжение 24/7.
• Компактность. АЭС занимают значительно меньшую территорию по сравнению с объектами возобновляемой энергетики той же мощности. Например, для выработки одинакового количества энергии АЭС требуется в сотни раз меньше земли, чем солнечной или ветряной электростанции.
• Экономическая эффективность в долгосрочной перспективе. Несмотря на огромные капитальные вложения в строительство, эксплуатационные расходы АЭС относительно невысоки. После запуска станция производит дешевую электроэнергию на протяжении десятилетий, что способствует энергетической независимости и стабильности тарифов.

Минусы

• Проблема радиоактивных отходов. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) и другие радиоактивные отходы остаются опасными для живых организмов на протяжении тысяч и даже сотен тысяч лет. На сегодняшний день не существует общепринятого и гарантированно безопасного способа их окончательной изоляции от биосферы; в основном применяется длительное временное хранение.
• Риск тяжелых аварий. Хотя современные реакторы оснащены многоуровневыми системами безопасности, вероятность аварии с катастрофическими последствиями, хоть и крайне низкая, полностью не исключена. Аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС «Фукусима-1» (2011) показали, к каким масштабным и долгосрочным экологическим и социальным последствиям это может привести.
• Высокая стоимость и длительность строительства. Сооружение современной АЭС — это чрезвычайно дорогой (десятки миллиардов долларов) и длительный (10-15 лет и более) процесс. Это является серьезным финансовым барьером для многих стран.
• Проблема вывода из эксплуатации. По истечении срока службы (40–60 лет) АЭС необходимо безопасно демонтировать. Этот процесс также является технически сложным, долгим (может занимать десятилетия) и очень дорогим, его стоимость сопоставима со стоимостью строительства новой станции.
• Риск распространения ядерного оружия. Технологии, используемые в ядерном топливном цикле (например, обогащение урана или переработка ОЯТ с выделением плутония), могут быть использованы для создания ядерного оружия. Это создает риски в области международной безопасности.
• Ограниченность запасов урана. Уран, как и ископаемое топливо, является невозобновляемым природным ресурсом. Хотя разведанных запасов при текущих темпах потребления хватит еще на многие десятилетия, в долгосрочной перспективе это является ограничением.
• Негативное общественное мнение. Вследствие аварий и проблемы отходов ядерная энергетика часто воспринимается населением с опаской, что создает политические и социальные трудности при реализации новых проектов.

Таким образом, выбор в пользу развития или отказа от ядерной энергетики представляет собой сложный компромисс между потребностью в надежном и чистом источнике энергии, с одной стороны, и необходимостью управления серьезными рисками и долгосрочными проблемами, с другой.

Ответ: Ядерная энергетика имеет значительные преимущества, такие как высокая энергоэффективность, надежность и отсутствие выбросов парниковых газов, но сопряжена с серьезными недостатками, включая проблему утилизации радиоактивных отходов, риск тяжелых аварий, высокую стоимость и длительность строительства и вывода из эксплуатации.

2. Приведите примеры цепной реакции, наблюдаемые в природе и в поведении людей.

Цепная реакция — это процесс, в котором результат одного события вызывает последующие аналогичные события. Таким образом, реакция распространяется и нарастает, часто с экспоненциальной скоростью, подобно цепи, где одно звено тянет за собой другое.

Примеры цепной реакции, наблюдаемые в природе

В природе цепные реакции проявляются в самых разных масштабах, от микроскопических до космических. Вот несколько примеров:

Ядерные и физические процессы: Самый известный пример — цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер, например, урана. При делении одного ядра высвобождаются нейтроны, которые, в свою очередь, вызывают деление других ядер, что приводит к выделению огромного количества энергии. Похожий принцип, но основанный на синтезе, лежит в основе процессов, происходящих в звездах. Другим примером из физики является снежная лавина или оползень, где движение небольшого объема снега или грунта провоцирует смещение всё больших масс.

Химические процессы: Процесс горения является химической цепной реакцией. Первоначальный нагрев инициирует реакцию окисления, которая выделяет тепло. Это тепло, в свою очередь, обеспечивает энергию активации для соседних молекул горючего вещества, и огонь распространяется. Лесные пожары — это масштабное проявление такой реакции.

Биологические процессы: Распространение эпидемий можно рассматривать как цепную реакцию. Один зараженный человек передает вирус или бактерию нескольким другим, те — следующей группе людей, и число заболевших растет в геометрической прогрессии. Внутри организма примером служит каскад реакций свертывания крови, где активация одного фактора свертывания запускает активацию следующего, что быстро приводит к образованию тромба для остановки кровотечения.

Ответ: в природе примерами цепной реакции являются ядерные реакции в звездах и реакторах, горение и лесные пожары, снежные лавины, распространение эпидемий и биохимические каскады, такие как свертывание крови.

Примеры цепной реакции, наблюдаемые в поведении людей

В человеческом обществе и поведении также можно наблюдать множество явлений, которые развиваются по принципу цепной реакции:

Социальное распространение: "Вирусное" распространение информации — слухов, новостей, мемов или идей в социальных сетях. Один человек делится информацией со своими подписчиками, некоторые из них делают то же самое, и информация лавинообразно охватывает огромную аудиторию. По этому же принципу распространяются модные тенденции.

Массовое поведение: Паника в толпе — яркий пример. Испуганное поведение одного или нескольких человек может вызвать паническую реакцию у окружающих, что приводит к давке. Финансовая паника, такая как "набег на банки", когда вкладчики массово забирают свои деньги из-за слухов о проблемах банка, также является цепной реакцией.

Поведенческие автоматизмы: Аплодисменты в концертном зале часто начинаются с нескольких человек и быстро подхватываются остальными зрителями. То же самое можно сказать о смехе в аудитории или зевоте, которая бывает "заразительной".

Ответ: в поведении людей примерами цепной реакции являются "вирусное" распространение информации и моды, возникновение массовой паники, распространение аплодисментов или смеха в группе, а также "эффект домино" в очередях или коллективных действиях.

3. Подготовьте презентацию «Открытие протона и нейтрона».

История открытия протона и нейтрона — это ключевой этап в развитии физики и понимании строения материи. В начале XX века, после создания планетарной модели атома Эрнестом Резерфордом, основной загадкой оставалось внутреннее устройство атомного ядра.

Открытие протона

Предпосылки. Первые наблюдения, которые косвенно указывали на существование протона, были сделаны еще в 1886 году немецким физиком Ойгеном Гольдштейном. Изучая электрический разряд в разреженных газах, он открыл "каналовые лучи" — потоки положительно заряженных ионов. Дальнейшие исследования показали, что самые легкие из этих частиц (полученные при использовании водорода) имеют наибольшее отношение заряда к массе и являются, по сути, ионами водорода.

Эксперимент Резерфорда. Решающий шаг был сделан Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Он проводил опыты по бомбардировке атомов азота в газовой камере альфа-частицами (ядрами гелия). Резерфорд заметил, что в результате такого взаимодействия появляются новые частицы, которые имели гораздо больший пробег, чем альфа-частицы. Изучив их отклонение в электрическом и магнитном полях, он безошибочно идентифицировал их как ядра атомов водорода.

Выводы и значение. Резерфорд пришел к выводу, что он впервые в истории осуществил искусственное превращение одного химического элемента в другой. Альфа-частица, попадая в ядро азота, выбивала из него ядро водорода. Эта ядерная реакция записывается так:

$$ {_2^4}\text{He} + {_{7}^{14}}\text{N} \rightarrow {_{8}^{17}}\text{O} + {_{1}^{1}}\text{p} $$

Резерфорд предположил, что ядро водорода является фундаментальной "первичной" частицей, входящей в состав всех атомных ядер, и в 1920 году предложил для нее название протон (от греческого πρῶτος — «первый»). Открытие протона подтвердило, что атомные ядра имеют сложное строение, и заложило основы ядерной физики.

Ответ: Протон был экспериментально открыт Эрнестом Резерфордом в 1919 году как частица, выбиваемая из ядра азота при бомбардировке его альфа-частицами. Было установлено, что протон является ядром атома водорода и одной из основных частиц, составляющих атомное ядро.

Открытие нейтрона

Проблема "аномалии масс" и гипотеза. После открытия протона физики столкнулись с очевидным противоречием: заряд ядра любого элемента (кроме протия) соответствовал числу протонов в нем, но масса ядра была значительно больше суммарной массы этих протонов. Например, ядро гелия (${_2^4}\text{He}$) имеет заряд +2 (т.е. 2 протона), но его масса примерно равна массе 4 протонов. Для объяснения этого несоответствия Резерфорд в 1920 году выдвинул гипотезу о существовании в ядре тяжелой нейтральной частицы — нейтрона.

Эксперименты-предшественники. Поиски нейтрона велись более десятилетия. В 1930 году Вальтер Боте и Герберт Беккер в Германии, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили возникновение некоего излучения с чрезвычайно высокой проникающей способностью. Они ошибочно приняли его за жесткие гамма-лучи. В начале 1932 года во Франции Ирен и Фредерик Жолио-Кюри установили, что это таинственное излучение способно выбивать протоны из парафиновой пластины, что было трудно объяснить с точки зрения взаимодействия гамма-квантов с веществом.

Эксперимент Чедвика. Разгадка пришла от английского физика Джеймса Чедвика, ученика Резерфорда. В 1932 году он провел серию точных экспериментов и показал, что все наблюдаемые явления идеально объясняются, если предположить, что "бериллиевое излучение" — это поток нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона. Он назвал эти частицы нейтронами. Реакция, в которой был открыт нейтрон (${_0^1}\text{n}$), имеет вид:

$$ {_2^4}\text{He} + {_{4}^{9}}\text{Be} \rightarrow {_{6}^{12}}\text{C} + {_{0}^{1}}\text{n} $$

Значение открытия. Открытие нейтрона, за которое Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году, стало поворотным моментом в науке. Оно немедленно привело к созданию протон-нейтронной модели строения атомного ядра (предложенной независимо советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким физиком Вернером Гейзенбергом), которая является общепринятой и сегодня. Эта модель полностью объяснила и существование изотопов (атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов), и природу стабильности ядер.

Ответ: Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он интерпретировал результаты опытов по бомбардировке бериллия альфа-частицами, доказав существование электрически нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона. Это открытие привело к созданию современной протон-нейтронной модели атомного ядра.

4. Подготовьте презентацию «Современное состояние исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза».

Введение: Что такое управляемый термоядерный синтез (УТС)?

Управляемый термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого легкие атомные ядра (например, изотопы водорода) сливаются, образуя более тяжелые ядра и высвобождая огромное количество энергии. Этот процесс аналогичен тому, что происходит в ядре Солнца и других звезд. Цель исследований в области УТС — воспроизвести этот процесс на Земле и использовать его для создания практически неисчерпаемого, экологически чистого и безопасного источника энергии. В отличие от ядерного деления, используемого в современных АЭС, термоядерный синтез не производит долгоживущих радиоактивных отходов, а топливо для него (дейтерий и литий) широко распространено в природе.

2. Физические основы термоядерного синтеза

Для слияния атомных ядер необходимо преодолеть силу их электростатического отталкивания. Это требует экстремальных условий: вещество должно быть нагрето до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия, переходя в состояние плазмы — ионизированного газа. Наиболее перспективной считается реакция между дейтерием (D) и тритием (T):

$$ {}^2_1D + {}^3_1T \rightarrow {}^4_2He + n + 17.6 \, \text{МэВ} $$

Для запуска и поддержания самоподдерживающейся реакции необходимо выполнить критерий Лоусона. Он гласит, что произведение трех величин — плотности плазмы ($n$), температуры ($T$) и времени удержания энергии ($\tau_E$) — должно превысить определенное пороговое значение: $n \cdot T \cdot \tau_E > \text{const}$. Достижение этого тройного произведения является главной задачей всех термоядерных установок.

3. Основные направления исследований

В настоящее время доминируют два подхода к достижению условий, необходимых для термоядерного синтеза:

3.1. Магнитное удержание плазмы (Magnetic Confinement Fusion, MCF)

Этот метод использует сверхмощные магнитные поля для удержания горячей плазмы внутри вакуумной камеры, не позволяя ей коснуться стенок реактора и остыть.

• Токамак: Наиболее изученная и развитая концепция, предложенная советскими физиками. Установка имеет форму тора ("бублика"), в котором плазма удерживается комбинацией двух магнитных полей: сильного тороидального поля, идущего вдоль тора, и более слабого полоидального поля, создаваемого током в самой плазме. Крупнейший в мире проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР), строящийся во Франции силами 35 стран. Его цель — продемонстрировать научную и технологическую осуществимость УТС, получив в 10 раз больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы ($Q \ge 10$).
• Стелларатор: Альтернативная конструкция, где необходимое для удержания винтовое магнитное поле создается исключительно внешними катушками очень сложной формы. Это делает стеллараторы более сложными в проектировании и постройке, но теоретически они способны работать в непрерывном режиме, в отличие от импульсного режима большинства токамаков. Яркий пример — немецкий стелларатор Wendelstein 7-X, который успешно демонстрирует стабильное удержание высокотемпературной плазмы.

3.2. Инерциальное удержание плазмы (Inertial Confinement Fusion, ICF)

В этом подходе крошечную сферическую мишень, содержащую дейтерий и тритий, со всех сторон облучают мощнейшими импульсами лазеров или ионных пучков. Внешние слои мишени испаряются, создавая реактивную силу, которая сжимает и нагревает топливо в центре до термоядерных температур и плотностей. Весь процесс происходит за ничтожно малые доли секунды (наносекунды), а удержание обеспечивается инерцией самого сжимающегося вещества.

• Ключевой проект — National Ignition Facility (NIF) в США. В декабре 2022 года на этой установке был совершен исторический прорыв: впервые в истории удалось получить от термоядерной реакции больше энергии (3.15 МДж), чем было доставлено к мишени лазерами (2.05 МДж). Это событие, известное как "зажигание" (ignition), доказало физическую состоятельность данного подхода.

4. Ключевые научные и инженерные проблемы

Несмотря на значительные успехи, на пути к созданию коммерческой термоядерной электростанции остается ряд серьезных вызовов:

• Устойчивость плазмы: Необходимо научиться подавлять различные виды плазменных неустойчивостей, которые могут привести к срыву реакции и повреждению установки.
• Проблема материалов: Стенки реактора (так называемая "первая стенка" и дивертор) должны выдерживать колоссальные тепловые нагрузки и мощное нейтронное облучение, которое со временем разрушает любой материал. Ведется активный поиск и разработка новых жаропрочных и радиационно-стойких сплавов.
• Воспроизводство трития: Тритий — радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 12 лет, и в природе он практически не встречается. Будущие реакторы должны будут сами производить ("нарабатывать") тритий из лития, который будет окружать активную зону в виде специального бланкета. Нейтроны из реакции D-T будут взаимодействовать с литием, производя тритий: $ {}^6_3Li + n \rightarrow {}^4_2He + {}^3_1T $.
• Энергетическая рентабельность: Необходимо достичь не просто научного, но и инженерного прорыва, когда вся электростанция в целом производит значительно больше энергии, чем потребляет на свою работу (включая лазеры, магниты, системы охлаждения и т.д.).

5. Перспективы и будущие проекты

После успешной демонстрации физических принципов на ITER, следующим шагом станет строительство демонстрационной электростанции DEMO. Проекты DEMO разрабатываются в Европе, Китае, России, Южной Корее и других странах. Их цель — показать возможность производства электроэнергии в промышленных масштабах, а также отработать технологию тритиевого цикла.

Параллельно с крупными государственными проектами в последние годы наблюдается бум частных инвестиций в термоядерный синтез. Десятки стартапов (например, Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, Tokamak Energy) предлагают инновационные подходы, такие как использование высокотемпературных сверхпроводников для создания более компактных и дешевых токамаков, что может значительно ускорить путь к коммерческой термоядерной энергии.

Ответ:

Современное состояние исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза характеризуется значительным прогрессом и выходом на ключевой этап демонстрации физической осуществимости. В области магнитного удержания главным проектом является строящийся международный реактор ITER, который должен показать возможность получения энергии с десятикратным увеличением ($Q \ge 10$). В области инерциального синтеза на установке NIF в 2022 году был достигнут исторический результат — "зажигание" реакции с выходом энергии, превышающим энергию лазерного импульса. Основными вызовами остаются создание радиационно-стойких материалов, обеспечение устойчивости плазмы, разработка технологии воспроизводства трития и достижение общей энергетической рентабельности электростанции. Наряду с мегапроектами активно развиваются частные инициативы, предлагающие более компактные и быстрые решения. Путь к коммерческой термоядерной энергетике по-прежнему долог и потребует десятилетий работы, однако достигнутые успехи вселяют уверенность в достижимости этой цели.