Ответьте на вопросы, страница 164 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему сложно осуществить ядерные реакции в результате столкновения $\alpha$-частицы с тяжелыми ядрами химических элементов?

Сложность осуществления ядерных реакций в результате столкновения α-частицы с тяжелыми ядрами химических элементов обусловлена сильным электростатическим (кулоновским) отталкиванием между ними. Рассмотрим это подробнее.

Альфа-частица ($α$) представляет собой ядро атома гелия ($_{2}^{4}\text{He}$), состоящее из двух протонов и двух нейтронов, и, следовательно, несет положительный заряд, равный $q_{\alpha} = +2e$, где $\text{e}$ – элементарный заряд.

Тяжелые ядра химических элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева, имеют большой порядковый номер $\text{Z}$. Это означает, что они содержат большое число протонов и обладают значительным положительным зарядом $q_{ядра} = +Ze$. Например, для урана $Z = 92$.

Согласно закону Кулона, между двумя одноименно заряженными частицами действуют силы отталкивания. Величина этой силы прямо пропорциональна произведению их зарядов. Для системы "α-частица – ядро" сила отталкивания очень велика именно из-за большого значения $\text{Z}$ у тяжелого ядра.

Чтобы произошла ядерная реакция, α-частица должна преодолеть это отталкивание и сблизиться с ядром на расстояние порядка 10^-15 м. На таком расстоянии начинают преобладать мощные, но короткодействующие ядерные силы притяжения, которые и вызывают слияние или изменение ядра. Электростатическое отталкивание создает так называемый "кулоновский барьер" – энергетический барьер, высота которого пропорциональна произведению зарядов $q_{\alpha} \cdot q_{ядра}$. Чем тяжелее ядро (чем больше $\text{Z}$), тем выше этот барьер.

Для преодоления этого барьера налетающая α-частица должна обладать достаточной кинетической энергией. Энергии α-частиц, которые испускаются при естественном радиоактивном распаде, как правило, не хватает для преодоления высокого кулоновского барьера тяжелых ядер. Поэтому для инициирования таких реакций необходимо искусственно разгонять α-частицы в ускорителях до очень высоких энергий.

Ответ: Осуществить ядерные реакции при столкновении α-частицы с тяжелыми ядрами сложно из-за сильного электростатического отталкивания между положительно заряженной α-частицей и сильно положительно заряженным тяжелым ядром. Это отталкивание создает высокий потенциальный "кулоновский барьер", для преодоления которого α-частица должна обладать очень большой кинетической энергией.