Номер 5, страница 331 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

5. Какие преобразования энергии происходят при ядерных реакциях?

При ядерных реакциях происходит преобразование внутренней (ядерной) энергии атомных ядер в другие виды энергии. Этот процесс лежит в основе работы атомных электростанций, ядерного оружия, а также энергетических процессов, протекающих в недрах звезд.

Ключевым принципом, объясняющим это явление, является эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитой формулой Альберта Эйнштейна: $$ E = mc^2 $$ где $ E $ — энергия, $ m $ — масса, а $ c $ — скорость света в вакууме. Эта формула означает, что масса является одной из форм энергии, и они могут превращаться друг в друга.

В ходе любой ядерной реакции суммарная масса покоя продуктов реакции ($ m_{продуктов} $) оказывается меньше суммарной массы покоя исходных частиц ($ m_{исходных} $). Эта разница масс, называемая дефектом массы ($ \Delta m = m_{исходных} - m_{продуктов} $), не исчезает, а преобразуется в энергию, которая выделяется в ходе реакции. Величина этой энергии ($ E_{вых} $) рассчитывается как: $$ E_{вых} = \Delta m c^2 $$ Поскольку квадрат скорости света $ c^2 $ является огромной величиной, даже незначительное уменьшение массы приводит к высвобождению колоссального количества энергии.

Это изменение массы напрямую связано с энергией связи ядра — энергией, которая удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) вместе. Ядерные реакции протекают самопроизвольно в сторону образования более стабильных ядер, у которых энергия связи в расчете на один нуклон выше. Существуют два основных типа таких реакций.

Первый тип — реакция деления тяжелых ядер. В этой реакции тяжелое нестабильное ядро (например, уран-235) при поглощении нейтрона распадается на два (реже три) более легких ядра-осколка. Сумма масс осколков и дополнительных нейтронов, выделившихся при делении, оказывается меньше массы исходного ядра урана и поглощенного нейтрона. Эта разница масс и превращается в энергию.

Второй тип — реакция синтеза легких ядер. В этой реакции два легких ядра (например, изотопы водорода — дейтерий и тритий) сливаются, образуя одно более тяжелое и стабильное ядро (например, гелий) и другие частицы (например, нейтрон). Масса образовавшегося ядра гелия и нейтрона меньше суммы масс исходных ядер дейтерия и трития. Эта разница масс также преобразуется в энергию.

Выделившаяся в обоих случаях энергия первоначально имеет следующие основные формы:

• Кинетическая энергия продуктов реакции. Образовавшиеся осколки ядер и другие частицы (нейтроны, протоны, альфа-частицы) разлетаются с огромными скоростями. На эту форму приходится основная часть (более 80%) выделяемой энергии.
• Энергия электромагнитного излучения. Реакция сопровождается испусканием высокоэнергетических фотонов — гамма-квантов ($ \gamma $-излучение).

В некоторых реакциях (например, связанных с бета-распадом) часть энергии уносится нейтрино, но эта энергия, как правило, слабо взаимодействует с веществом и покидает реакционную зону.

В практических применениях (например, в ядерном реакторе) происходит дальнейшее преобразование энергии. Быстро летящие частицы и гамма-кванты сталкиваются с атомами окружающего вещества (топлива, теплоносителя, замедлителя), передавая им свою энергию и вызывая их интенсивное хаотическое движение. Это приводит к увеличению внутренней энергии вещества, что макроскопически проявляется как его сильный нагрев. Таким образом, кинетическая энергия и энергия излучения переходят в тепловую энергию.

Эту тепловую энергию затем можно использовать. В атомных электростанциях (АЭС) тепло от реактора передается теплоносителю (например, воде), который превращается в пар. Горячий пар под высоким давлением вращает турбину, соединенную с электрогенератором, который и вырабатывает электрическую энергию.

Таким образом, полная цепь преобразования энергии выглядит следующим образом: внутренняя ядерная энергия (энергия массы) → кинетическая энергия продуктов реакции и энергия электромагнитного излучения → тепловая энергия → механическая энергия → электрическая энергия.

Ответ: При ядерных реакциях внутренняя энергия атомных ядер, обусловленная их дефектом массы, преобразуется в основном в кинетическую энергию разлетающихся продуктов реакции (осколков ядер, нейтронов и т.д.) и энергию электромагнитного излучения (гамма-квантов). В дальнейшем эти виды энергии при взаимодействии с окружающей средой переходят в тепловую энергию.