Номер 9, страница 168 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

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

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

Ядерные реакции синтеза легких ядер, также известные как термоядерные реакции, требуют создания и поддержания экстремальных физических условий. Основных условий два:

1. Сверхвысокая температура. Атомные ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому отталкиваются друг от друга (кулоновское отталкивание). Чтобы произошло слияние (синтез), ядра должны сблизиться на расстояние действия сильного ядерного взаимодействия (порядка $10^{-15}$ м), которое намного сильнее электростатического отталкивания, но действует только на очень коротких дистанциях. Для преодоления этого кулоновского барьера ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. Высокая кинетическая энергия частиц соответствует высокой температуре вещества. Для запуска термоядерных реакций необходимы температуры порядка десятков и сотен миллионов кельвинов ($10^7 - 10^8$ К). При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы – ионизированного газа, состоящего из отдельных ядер и электронов.

2. Высокая плотность и достаточное время удержания. Одной лишь высокой температуры недостаточно. Необходимо, чтобы в единицу времени происходило достаточное количество столкновений ядер, приводящих к синтезу. Это достигается при высокой плотности плазмы: чем плотнее вещество, тем чаще частицы сталкиваются. Кроме того, эту горячую и плотную плазму нужно удержать от разлетания в течение времени, достаточного для того, чтобы выделившаяся в ходе реакций энергия превысила энергию, затраченную на нагрев и удержание. Эти три параметра — температура ($\text{T}$), плотность ($\text{n}$) и время удержания ($\tau$) — связаны между собой в так называемом критерии Лоусона. Для самоподдерживающейся реакции произведение плотности на время удержания должно превышать определенное значение, зависящее от температуры и типа реакции. Например, для реакции дейтерий-тритий ($D-T$) при температуре около $1,5 \cdot 10^8$ К критерий Лоусона имеет вид: $n\tau \ge 10^{20} \, \text{с} \cdot \text{м}^{-3}$.

В естественных условиях такие условия реализуются в недрах звезд, где огромное гравитационное давление обеспечивает и высокую температуру, и плотность. В земных условиях их пытаются достичь в установках управляемого термоядерного синтеза (например, в токамаках) или неконтролируемо реализуют при взрыве водородной бомбы.

Ответ: Ядерные реакции синтеза легких ядер происходят при условии наличия вещества в состоянии плазмы с чрезвычайно высокой температурой (десятки и сотни миллионов кельвинов) и достаточно высокой плотностью, удерживаемой в течение определенного времени, чтобы ядра могли преодолеть кулоновское отталкивание и вступить в реакцию.