Номер 7, страница 196 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

7. Почему во время ядерной реакции выделяется огромная, по сравнению с химической реакцией, энергия?

7. Огромная разница в количестве выделяемой энергии между ядерными и химическими реакциями объясняется фундаментальными различиями в процессах, которые происходят на субатомном и атомном уровнях, а также в природе сил, участвующих в этих процессах.

1. Уровень взаимодействия. В химических реакциях происходят изменения только во внешних электронных оболочках атомов. Атомы обмениваются электронами или образуют общие электронные пары, что приводит к разрыву старых и образованию новых химических связей. Ядра атомов при этом остаются совершенно неизменными. В ядерных же реакциях преобразованиям подвергаются сами атомные ядра. Происходит их деление (распад) на более лёгкие или слияние (синтез) с образованием более тяжёлых ядер. Это приводит к превращению одних химических элементов в другие.

2. Типы сил и энергия связи. Энергия, выделяемая или поглощаемая в химических реакциях, определяется энергией электромагнитного взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. В ядерных реакциях высвобождается энергия, связанная с изменением энергии связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Нуклоны удерживаются вместе так называемым сильным взаимодействием, которое на очень коротких расстояниях (порядка размеров ядра) в сотни раз мощнее электромагнитного. Соответственно, и энергия, высвобождаемая при перестройке ядра, несоизмеримо больше энергии перестройки электронных оболочек.

3. Дефект масс и формула Эйнштейна. Ключевым фактором, объясняющим гигантскую энергию ядерных реакций, является так называемый дефект масс. Сумма масс продуктов ядерной реакции всегда оказывается немного меньше суммы масс исходных частиц. Эта "недостающая" масса, или дефект масс ($ \Delta m $), не исчезает, а превращается в колоссальное количество энергии ($\text{E}$) в соответствии со знаменитым уравнением эквивалентности массы и энергии, выведенным Альбертом Эйнштейном:

$E = \Delta m c^2$

В этой формуле $\text{c}$ — это скорость света в вакууме, постоянная величина, равная примерно $3 \cdot 10^8$ м/с. Поскольку скорость света в квадрате ($c^2$) — это огромное число (около $9 \cdot 10^{16}$ м²/с²), даже ничтожное уменьшение массы приводит к высвобождению гигантского количества энергии. В химических реакциях дефект масс также существует, но он в миллионы раз меньше, чем в ядерных, и поэтому его энергетическим эквивалентом обычно пренебрегают.

4. Масштаб энергий. Если сравнить удельное энерговыделение, то для химических реакций (например, горение водорода) оно составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ) на одну молекулу. Для ядерных реакций (например, деление одного ядра урана-235) эта величина составляет около 200 миллионов электрон-вольт (МэВ). Таким образом, ядерные процессы примерно в 10-100 миллионов раз "энергичнее" химических в расчёте на один атом.

Ответ: Огромное количество энергии в ядерных реакциях выделяется потому, что в них происходят изменения в ядрах атомов, которые удерживаются вместе мощнейшими ядерными силами. При перестройке ядер часть их массы (дефект масс) превращается в энергию согласно соотношению $E = \Delta m c^2$. Так как множитель $c^2$ огромен, даже небольшая потеря массы приводит к выделению колоссальной энергии, в миллионы раз превосходящей энергию химических реакций, где затрагиваются только слабые связи внешних электронов.