Творческое задание, страница 168 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщения по темам (на выбор):

1. Из истории исследований ядерных реакций.

2. Достижения ученых Жолио-Кюри, П. Савич, О. Ганн, Ф. Штрассман, О. Фриш, Л. Мейтнер в исследовании ядерных реакций.

3. Термоядерные реакции синтеза в недрах звезд.

1. Из истории исследований ядерных реакций.

История исследования ядерных реакций — это драматическая и увлекательная глава в науке XX века, полная гениальных прозрений, упорного труда и открытий, которые кардинально изменили мир. Этот путь можно разделить на несколько ключевых этапов.

Открытие радиоактивности и строение атома.
Отправной точкой стало открытие Анри Беккерелем в 1896 году естественной радиоактивности — самопроизвольного испускания невидимых лучей солями урана. Вскоре Мария и Пьер Кюри выделили новые, гораздо более активные элементы — полоний и радий — и ввели сам термин "радиоактивность". Эти работы показали, что атомы некоторых элементов нестабильны и могут превращаться в атомы других элементов. Однако природа этих превращений оставалась загадкой до тех пор, пока Эрнест Резерфорд в своих знаменитых опытах по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге (1909-1911 гг.) не доказал существование атомного ядра — крошечного, но массивного центра атома.

Первая искусственная ядерная реакция.
Вооружившись знанием о существовании ядра, сам Резерфорд в 1919 году совершил следующий революционный шаг: он осуществил первую в истории искусственную ядерную реакцию. Облучая газ азот альфа-частицами (ядрами гелия), он обнаружил появление протонов (ядер водорода). Резерфорд правильно интерпретировал это как превращение одного элемента в другой: ядро азота, захватив альфа-частицу, превращалось в ядро кислорода и испускало протон. Реакция выглядит так:
$`\ ^{14}_{7}N + \ ^{4}_{2}He \rightarrow \ ^{17}_{8}O + \ ^{1}_{1}p`$.
Это доказало, что человек может целенаправленно изменять состав атомных ядер.

Открытие нейтрона и искусственной радиоактивности.
Ключевым для дальнейшего развития стало открытие Джеймсом Чедвиком в 1932 году нейтрона — нейтральной частицы, входящей в состав ядра. Нейтрон оказался идеальным "снарядом" для бомбардировки ядер, так как, не имея заряда, он не отталкивается ядром и может легко проникать в него. Всего два года спустя, в 1934 году, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, облучая алюминий альфа-частицами, обнаружили, что продукты реакции сами становятся радиоактивными. Они открыли явление искусственной радиоактивности, за что были удостоены Нобелевской премии.

Открытие деления ядра и цепная реакция.
В конце 1930-х годов группа итальянских физиков под руководством Энрико Ферми систематически облучала нейтронами все известные элементы. При облучении урана были получены результаты, которые не удавалось объяснить. Разгадка пришла в конце 1938 года, когда немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман, скрупулезно анализируя продукты реакции, обнаружили в них барий — элемент из середины таблицы Менделеева. Это было настолько неожиданно, что они не решились дать физическое объяснение. Теоретическую интерпретацию дали Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш в начале 1939 года. Они поняли, что ядро урана под действием нейтрона не просто изменяется, а расщепляется (делится) на два более легких осколка с выделением колоссальной энергии. Они назвали этот процесс "делением ядра". Вскоре было установлено, что при делении урана испускается несколько новых нейтронов, что открывало возможность самоподдерживающейся цепной реакции. Практическая реализация этой идеи привела к созданию первого в мире ядерного реактора "Чикаго Пайл-1" командой Энрико Ферми в 1942 году, что ознаменовало начало атомной эры.

Ответ:
Подготовлено сообщение на тему "Из истории исследований ядерных реакций", в котором последовательно рассмотрены ключевые события: открытие радиоактивности, первая искусственная трансмутация элементов Резерфордом, открытие нейтрона и искусственной радиоактивности, и, наконец, открытие деления ядра урана и осуществление первой управляемой цепной реакции.

2. Достижения ученых Жолио-Кюри, П. Савич, О. Ганн, Ф. Штрассман, О. Фриш, Л. Мейтнер в исследовании ядерных реакций.

В 1930-е годы исследование ядерных реакций, вызванных бомбардировкой урана нейтронами, было передним краем физики. Вклад перечисленных ученых в этот процесс представляет собой захватывающую историю научного поиска, где тесно переплелись сотрудничество, конкуренция и гениальные догадки, приведшие в итоге к открытию деления ядра.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.
Супруги Жолио-Кюри вошли в историю благодаря открытию в 1934 году искусственной радиоактивности. Бомбардируя алюминиевую фольгу альфа-частицами, они получили новый, ранее неизвестный изотоп фосфора, который оказался радиоактивным:
$`\ ^{27}_{13}Al + \ ^{4}_{2}He \rightarrow \ ^{30}_{15}P + \ ^{1}_{0}n`$.
Образовавшийся фосфор-30 распадался с испусканием позитрона. За это открытие им была присуждена Нобелевская премия по химии в 1935 году. Позже, работая с ураном, они также проводили важные эксперименты, которые, однако, привели их к неверным выводам, но послужили толчком для других исследователей.

Павел Савич и Ирен Жолио-Кюри.
В 1938 году Ирен Жолио-Кюри совместно с югославским физиком Павлом Савичем опубликовала статью, которая стала важным шагом на пути к открытию деления. Облучая уран нейтронами, они обнаружили радиоактивный продукт с периодом полураспада 3.5 часа, который по своим химическим свойствам был очень похож на лантан (Z=57), но они ошибочно предположили, что это актиний (Z=89), лишь "похожий" на лантан. Их работа, хотя и не привела к правильному выводу, поставила под сомнение общепринятую идею, что при бомбардировке урана могут получаться лишь трансурановые элементы, близкие к нему по массе. Эта публикация напрямую стимулировала Отто Гана и Фрица Штрассмана к повторению и проверке этих загадочных результатов.

Отто Ган и Фриц Штрассман.
Отто Ган, выдающийся радиохимик, и его ассистент Фриц Штрассман работали в Берлине. Заинтригованные и одновременно скептически настроенные по отношению к результатам Жолио-Кюри и Савича, они решили с непревзойденной химической точностью идентифицировать продукты реакции. В декабре 1938 года они получили неопровержимые доказательства: среди продуктов бомбардировки урана (Z=92) нейтронами присутствует барий (Z=56). Это противоречило всему опыту ядерной физики того времени, согласно которому ядро могло терять лишь небольшие фрагменты вроде альфа-частиц. Ган, будучи химиком, не мог поверить в "расщепление" ядра, но был абсолютно уверен в своих химических данных. В отчаянии он написал письмо своей бывшей коллеге и подруге Лизе Мейтнер, описывая "невероятные" результаты.

Лиза Мейтнер и Отто Фриш.
Лиза Мейтнер, физик-теоретик, которая десятилетиями работала с Ганом, была вынуждена бежать из нацистской Германии и находилась в Швеции. Она получила письмо Гана перед Рождеством 1938 года, когда ее навещал племянник, физик Отто Фриш. Во время прогулки по заснеженному лесу они начали обсуждать результаты. Используя модель "жидкой капли" для ядра, предложенную Георгием Гамовым и Нильсом Бором, они пришли к ошеломляющему выводу: ядро урана, подобно колеблющейся капле жидкости, под действием нейтрона может вытянуться и разорваться на две части примерно равной массы. Фриш по аналогии с делением клеток в биологии предложил термин "деление" (fission). Они также оценили, что при таком делении должна выделяться огромная энергия (около 200 МэВ на одно ядро) за счет разницы в массах исходного ядра и продуктов деления. Вернувшись в Копенгаген, Фриш немедленно поставил эксперимент и экспериментально подтвердил наличие этих мощных энергетических импульсов, тем самым окончательно доказав реальность процесса деления.

Ответ:
Подготовлено сообщение, раскрывающее вклад каждого из указанных ученых в великую научную драму открытия деления ядра: от открытия искусственной радиоактивности Жолио-Кюри, через загадочные результаты Кюри и Савича, к неопровержимым химическим доказательствам Гана и Штрассмана, и, наконец, к блестящей теоретической интерпретации Мейтнер и Фриша.

3. Термоядерные реакции синтеза в недрах звезд.

Термоядерные реакции синтеза — это процессы, в которых ядра более легких химических элементов сливаются (синтезируются), образуя ядра более тяжелых элементов, с выделением огромного количества энергии. Именно эти реакции являются источником энергии звезд, включая наше Солнце, и причиной существования большинства химических элементов во Вселенной. Для их протекания необходимы экстремальные условия — температура в миллионы и миллиарды кельвинов и колоссальное давление, которые существуют в звездных недрах.

В звездах главной последовательности, к которым относится и Солнце, основным "топливом" служит водород, который превращается в гелий. Этот процесс может идти двумя основными путями.

Протон-протонный цикл (p-p цикл).
Этот цикл доминирует в звездах с массой, сравнимой с солнечной или меньшей. Он протекает в несколько стадий. Основная ветвь (pp I) выглядит следующим образом:
1. Два протона (ядра водорода) сливаются, образуя ядро дейтерия (тяжелого водорода), позитрон и нейтрино. Это самая медленная и сложная стадия, определяющая общую скорость реакции:
$`\ ^{1}_{1}H + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{2}_{1}H + e^+ + \nu_e`$.
2. Ядро дейтерия быстро захватывает еще один протон, превращаясь в ядро гелия-3 с испусканием гамма-кванта:
$`\ ^{2}_{1}H + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{3}_{2}He + \gamma`$.
3. Два ядра гелия-3, образовавшиеся в предыдущих реакциях, сталкиваются и образуют ядро гелия-4 (альфа-частицу) и два протона, которые могут снова вступить в цикл:
$`\ ^{3}_{2}He + \ ^{3}_{2}He \rightarrow \ ^{4}_{2}He + 2(\ ^{1}_{1}H)`$.
Суммарный результат цикла: четыре протона превращаются в одно ядро гелия-4, при этом выделяется около 26.7 МэВ энергии.

Углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл).
Этот цикл является основным источником энергии в звездах, которые массивнее Солнца примерно в 1.3 раза и более, так как их центральные температуры выше (свыше 15-17 миллионов К). В этом цикле ядра углерода, азота и кислорода выступают в роли катализаторов — они участвуют в промежуточных реакциях, но в конце цикла регенерируются. Цикл состоит из следующих шагов:
1. $`\ ^{12}_{6}C + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{13}_{7}N + \gamma`$
2. $`\ ^{13}_{7}N \rightarrow \ ^{13}_{6}C + e^+ + \nu_e`$
3. $`\ ^{13}_{6}C + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{14}_{7}N + \gamma`$
4. $`\ ^{14}_{7}N + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{15}_{8}O + \gamma`$ (самая медленная стадия)
5. $`\ ^{15}_{8}O \rightarrow \ ^{15}_{7}N + e^+ + \nu_e`$
6. $`\ ^{15}_{7}N + \ ^{1}_{1}H \rightarrow \ ^{12}_{6}C + \ ^{4}_{2}He`$
Как видно, ядро углерода-12, вступившее в реакцию на первом шаге, восстанавливается на последнем, а итоговый результат тот же, что и в p-p цикле: четыре протона превратились в ядро гелия-4.

Синтез более тяжелых элементов.
Когда водород в ядре звезды исчерпывается, термоядерные реакции в нем прекращаются, ядро сжимается и нагревается до еще более высоких температур. Если масса звезды достаточна, начинаются новые циклы синтеза. При температуре около 100 миллионов К становится возможным "горение" гелия — так называемый тройной альфа-процесс, в ходе которого три ядра гелия-4 образуют ядро углерода-12. В еще более массивных звездах последовательно "загораются" углерод, неон, кислород, кремний. Так, в ходе звездной эволюции, рождаются все элементы вплоть до железа. Элементы тяжелее железа образуются уже не в ходе "спокойного" горения, а в результате процессов захвата нейтронов во время взрывов сверхновых.

Ответ:
Подготовлено сообщение на тему "Термоядерные реакции синтеза в недрах звезд". В нем разъясняется суть термоядерного синтеза, подробно описываются два основных механизма превращения водорода в гелий в звездах (протон-протонный и CNO-циклы) с приведением уравнений реакций, а также кратко освещается последующий синтез более тяжелых химических элементов в ходе звездной эволюции.