Номер 1, страница 341 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 12. Физика атомного ядра. Параграф 90. Термоядерные реакции. Вопросы к параграфу - номер 1, страница 341.

Условие.

1. Почему реакция слияния лёгких ядер происходит только при очень высоких температурах?

Решение.

Решение 2.

1. Реакция слияния лёгких ядер, также известная как термоядерный синтез, происходит только при очень высоких температурах по следующей причине: для слияния атомные ядра должны преодолеть мощные силы электростатического отталкивания.

Атомные ядра состоят из протонов, имеющих положительный электрический заряд, и нейтронов, которые нейтральны. Из-за наличия протонов все ядра заряжены положительно. Согласно закону Кулона, одноимённо заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Эта сила отталкивания создаёт так называемый кулоновский барьер — энергетический барьер, который мешает ядрам сблизиться.

С другой стороны, существует сильное ядерное взаимодействие. Это чрезвычайно мощная, но короткодействующая сила притяжения, которая удерживает протоны и нейтроны вместе внутри ядра. Её радиус действия очень мал, порядка $10^{-15}$ м. Чтобы ядра смогли слиться, они должны подойти друг к другу на расстояние, где эта сила притяжения начнёт действовать и превзойдёт кулоновское отталкивание.

Температура вещества — это мера средней кинетической энергии его частиц. При обычных температурах кинетической энергии ядер недостаточно для преодоления кулоновского барьера. Чтобы сблизиться на нужное расстояние, ядра должны обладать огромной кинетической энергией, то есть двигаться навстречу друг другу с колоссальными скоростями. Такие скорости достигаются только при сверхвысоких температурах, составляющих десятки и сотни миллионов градусов Цельсия (или Кельвинов). При таких условиях вещество переходит в состояние плазмы, где ядра и электроны движутся свободно. Высокая температура придаёт ядрам достаточную энергию для преодоления кулоновского барьера и вступления в реакцию синтеза.

Важно отметить, что процессу помогает квантовый туннельный эффект, который позволяет ядрам с некоторой вероятностью "проникать" сквозь барьер, даже если их энергия немного ниже высоты барьера. Однако вероятность туннелирования значительно возрастает с увеличением энергии, поэтому наличие очень высоких температур всё равно остаётся критически важным условием для протекания реакции с заметной скоростью.

Ответ: Реакция слияния лёгких ядер требует очень высоких температур (порядка $10^7 - 10^8$ K), потому что только при таких условиях ядра приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание (кулоновский барьер) и сблизиться на расстояние действия сильного ядерного взаимодействия, которое и обеспечивает их слияние.