Номер 4, страница 255 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. При каком условии происходят ядерные реакции синтеза легких ядер?

Ядерные реакции синтеза легких ядер, также называемые термоядерными реакциями, требуют создания и поддержания экстремальных физических условий. Главная задача — преодолеть силы кулоновского отталкивания, которые действуют между положительно заряженными атомными ядрами и мешают им сблизиться для слияния. Для этого необходимо выполнение двух основных условий.

Первое и основное условие — это сверхвысокая температура. Чтобы ядра могли преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия короткодействующих, но очень сильных ядерных сил (порядка $10^{-15}$ м), они должны обладать огромной кинетической энергией. Такая энергия достигается при нагреве вещества до температур в десятки и сотни миллионов кельвинов (К). Например, для реакции слияния дейтерия и трития необходима температура около $1.5 \times 10^8$ К. При таких температурах вещество переходит в особое состояние — плазму, где атомы ионизированы, то есть представляют собой смесь свободных ядер и электронов. Стоит отметить, что слиянию также помогает квантовый туннельный эффект, благодаря которому ядро может «просочиться» сквозь кулоновский барьер, даже не имея энергии, достаточной для его преодоления «напрямую».

Второе необходимое условие — это высокая плотность и давление. Даже при достижении нужной температуры, слияние ядер при столкновении остается вероятностным событием. Чтобы обеспечить достаточное количество таких событий в единицу времени и запустить самоподдерживающуюся реакцию, которая будет выделять больше энергии, чем потреблять, необходимо, чтобы ядра сталкивались как можно чаще. Это достигается за счет высокой плотности плазмы. Для удержания такой плотной и горячей плазмы требуется колоссальное давление. В природе такие условия существуют в недрах звезд, где гигантское давление создается гравитационными силами. В земных условиях ученые пытаются достичь этого с помощью мощных магнитных полей в установках типа токамак или с помощью сверхмощных лазеров, сжимающих мишень с топливом.

Ответ: Ядерные реакции синтеза легких ядер происходят при наличии двух основных условий: сверхвысокой температуры (порядка $10^7 - 10^8$ кельвинов и выше) и очень высокой плотности вещества (и, соответственно, давления). Высокая температура сообщает ядрам кинетическую энергию, достаточную для преодоления сил электростатического отталкивания, а высокая плотность обеспечивает достаточную частоту столкновений ядер для поддержания реакции.