Номер 12, страница 196, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 109. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 12, страница 196.

Условие.

• Деление и синтез ядер.

Решение.

Деление и синтез ядер — это два основных типа ядерных реакций, при которых происходит выделение огромного количества энергии за счет изменения внутренней структуры атомных ядер.

Деление ядер

Деление ядер — это процесс расщепления тяжелого атомного ядра (например, урана или плутония) на два или реже три более легких ядра, которые называют осколками деления. Этот процесс сопровождается высвобождением значительного количества энергии, а также испусканием нейтронов и гамма-квантов. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным), но чаще оно является вынужденным, то есть инициированным попаданием в ядро частицы, как правило, нейтрона.

Классическим примером является деление ядра урана-235 при поглощении им медленного (теплового) нейтрона. Ядро переходит в возбужденное состояние, становится нестабильным и распадается. Одна из множества возможных реакций деления выглядит так:

$^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{236}_{92}U^* \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^1_0n$

Энергия, выделяющаяся при делении, возникает из-за так называемого дефекта масс: суммарная масса продуктов реакции (осколков и нейтронов) оказывается меньше массы исходного ядра урана и поглощенного нейтрона. Эта разница в массе, $\Delta m$, преобразуется в энергию $\text{E}$ в соответствии с уравнением Эйнштейна:

$E = \Delta m c^2$, где $\text{c}$ — скорость света.

Ключевой особенностью реакции деления является то, что она порождает новые нейтроны. Эти нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер, что приводит к возникновению цепной ядерной реакции. Если эту реакцию контролировать (например, в ядерных реакторах), можно получать энергию в мирных целях. Если реакция неуправляемая, происходит ядерный взрыв.

Ответ: Деление ядер — это расщепление тяжелого атомного ядра на более легкие с высвобождением энергии и нейтронов, что создает возможность для цепной реакции.

Синтез ядер

Синтез ядер (или термоядерный синтез) — это процесс, в котором два или более легких атомных ядра сливаются, образуя одно более тяжелое ядро. Как и деление, этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии, если масса конечного ядра меньше суммы масс исходных ядер. Именно реакции синтеза являются источником энергии Солнца и других звезд.

Для слияния ядра должны преодолеть силы электростатического отталкивания (кулоновский барьер), поскольку они оба заряжены положительно. Это требует чрезвычайно высоких температур (десятки и сотни миллионов градусов) и давлений. При таких условиях вещество переходит в состояние плазмы. Поэтому эти реакции называют термоядерными.

Наиболее перспективной для осуществления на Земле считается реакция синтеза изотопов водорода — дейтерия ($\text{D}$ или $^2_1H$) и трития ($\text{T}$ или $^3_1H$):

$^2_1H + ^3_1H \rightarrow ^4_2He + ^1_0n + 17,6 \text{ МэВ}$

В результате этой реакции образуются ядро гелия (альфа-частица) и высокоэнергетический нейтрон. Выделяющаяся энергия (17,6 МэВ) значительно превосходит энергию, выделяющуюся при делении, в расчете на единицу массы топлива.

Управляемый термоядерный синтез считается потенциальным источником энергии будущего, так как он обладает рядом преимуществ: практически неисчерпаемые запасы топлива (дейтерий в морской воде) и значительно меньшее количество радиоактивных отходов по сравнению с реакциями деления. Главная научная и технологическая задача — создание и удержание высокотемпературной плазмы в установках типа токамак или стелларатор.

Ответ: Синтез ядер — это слияние легких ядер в более тяжелые, происходящее при сверхвысоких температурах и давлениях и сопровождающееся выделением колоссальной энергии.