Ответьте на вопросы, страница 197 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему железо иногда называют «пеплом термоядерного горения»?

Решение

Выражение «пепел термоядерного горения» является образной аналогией, которая объясняет ключевую роль железа в жизненном цикле массивных звёзд. Чтобы понять эту аналогию, необходимо рассмотреть процессы выработки энергии в звёздных недрах.

1. Термоядерный синтез в звёздах. Звёзды светят и выделяют тепло благодаря реакциям термоядерного синтеза, происходящим в их ядрах. При огромных температурах и давлениях ядра лёгких химических элементов (например, водорода) сливаются, образуя ядра более тяжёлых элементов (например, гелия). Этот процесс, называемый нуклеосинтезом, сопровождается выделением колоссального количества энергии.

2. Эволюция звёздного «топлива». В молодых звёздах основная реакция — это превращение водорода в гелий. Когда водород в ядре заканчивается, массивные звёзды начинают «сжигать» гелий, производя углерод. Затем последовательно «сгорают» углерод, неон, кислород и кремний. Каждая стадия производит всё более тяжёлые элементы. Эта цепочка реакций продолжается до тех пор, пока в ядре не начинают образовываться элементы так называемого «железного пика» — в основном, железо ($ ^{56}\text{Fe} $) и никель.

3. Энергетический предел синтеза. Причина остановки синтеза на железе кроется в понятии удельной энергии связи ядра. Это энергия, которая приходится на один нуклон (протон или нейтрон) в атомном ядре. При слиянии ядер элементов легче железа образуется новое, более тяжёлое ядро с большей удельной энергией связи. Разница в энергии выделяется в виде излучения и кинетической энергии частиц. Однако ядра элементов в районе железа-56 обладают максимальной удельной энергией связи, то есть являются самыми стабильными ядрами во Вселенной. Для синтеза элементов тяжелее железа энергию нужно не выделять, а, наоборот, затрачивать. Процесс становится энергетически невыгодным.

4. Аналогия с пеплом. Когда в ядре массивной звезды накапливается железо, термоядерные реакции, которые выделяли энергию и противостояли силам гравитации, прекращаются. Железо — это конечный продукт, который больше не может служить «топливом». Оно не может «гореть» в термоядерной топке звезды с выделением энергии. Оно накапливается в ядре, подобно тому как обычный пепел является негорючим остатком в костре, который уже нельзя поджечь. Именно поэтому железо и называют «пеплом термоядерного горения». Накопление этого «пепла» приводит к тому, что ядро звезды теряет опору, коллапсирует под собственным весом, что инициирует взрыв сверхновой.

Ответ: Железо называют «пеплом термоядерного горения», потому что оно является конечным продуктом цепи реакций термоядерного синтеза в недрах массивных звёзд. Ядра железа обладают максимальной энергией связи на нуклон, из-за чего их дальнейшее слияние с образованием более тяжёлых элементов не выделяет, а, наоборот, требует энергии. Таким образом, железо не может служить «топливом» для звезды. Оно накапливается в ядре, прекращая выработку энергии и знаменуя собой конец жизни звезды, подобно тому как пепел является негорючим остатком обычного горения.