Ответьте на вопросы, страница 165 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему энергию покоя не преобразуют в электрическую энергию?

Вопрос "Почему энергию покоя не преобразуют в электрическую энергию?" основан на не совсем точном предположении. На самом деле, человечество уже преобразует энергию покоя в электрическую, и именно на этом принципе работают все атомные электростанции (АЭС). Однако ключевой момент заключается в том, что преобразуется лишь очень малая часть этой энергии.

Энергия покоя — это внутренняя энергия, которой обладает любое тело с массой $\text{m}$, и она определяется знаменитой формулой Эйнштейна:

$E_0 = mc^2$

где $\text{c}$ — скорость света в вакууме. Так как $\text{c}$ — огромная величина ($ \approx 3 \cdot 10^8 $ м/с), то даже в небольшой массе заключена колоссальная энергия.

Преобразование энергии покоя в ядерных реакторах

Процесс, используемый на АЭС, — это управляемая цепная реакция деления тяжелых атомных ядер (например, урана-235). Когда ядро урана поглощает нейтрон, оно становится нестабильным и распадается на два более легких ядра (осколки деления) и несколько новых нейтронов. Самое важное здесь то, что суммарная масса продуктов деления оказывается немного меньше, чем масса исходного ядра урана и поглощенного им нейтрона. Эта "потерянная" масса, называемая дефектом масс ($\Delta m$), не исчезает бесследно, а превращается в огромное количество энергии согласно той же формуле Эйнштейна: $E = \Delta m c^2$.

Эта выделившаяся энергия (в основном в виде тепла и кинетической энергии осколков) используется для нагрева теплоносителя (воды) в реакторе. Далее горячий пар вращает турбину, соединенную с электрогенератором, который и вырабатывает электричество. Таким образом, АЭС — это практический пример преобразования части энергии покоя в электрическую энергию.

Почему не происходит полное преобразование массы в энергию?

Полное, 100%-ное преобразование массы в энергию возможно только в процессе аннигиляции — столкновения частицы со своей античастицей (например, электрона и позитрона). В результате такого столкновения обе частицы исчезают, а их полная масса покоя превращается в энергию (обычно в виде гамма-квантов).

Использование аннигиляции для промышленного производства энергии на сегодняшний день является уделом научной фантастики по трём основным причинам:

1. Доступность антивещества. В нашей Вселенной антивещество практически не встречается в естественном виде. Его необходимо создавать искусственно в ускорителях частиц.

2. Энергетическая неэффективность. Процесс создания античастиц чрезвычайно энергозатратен. На производство даже микроскопического количества антивещества тратится в миллионы раз больше энергии, чем можно было бы получить при его последующей аннигиляции. С точки зрения энергетики, это абсолютно невыгодно.

3. Сложность хранения. Поскольку антивещество аннигилирует при малейшем контакте с обычным веществом, его хранение является сверхсложной инженерной задачей. Необходимо удерживать его в глубоком вакууме с помощью сложнейших электромагнитных полей ("магнитных ловушек"). Современные технологии позволяют хранить лишь ничтожно малые количества антипротонов в течение ограниченного времени.

Ответ: Энергию покоя преобразуют в электрическую энергию в атомных электростанциях путем ядерного деления, но при этом в энергию превращается лишь незначительная часть массы (дефект масс). Полное преобразование всей массы покоя в энергию (аннигиляция) для производства электричества не используется, поскольку создание и хранение антивещества является чрезвычайно сложной, дорогой и энергетически невыгодной задачей на текущем уровне развития технологий.