Номер 14, страница 34, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Квантовая физика. Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика. Параграф 26. Ядерные реакции. Ядерная энергетика - номер 14, страница 34.

Условие.

14. Объясните, почему при делении ядер урана выделяется энергия.

Решение.

Решение

Выделение энергии при делении тяжелых атомных ядер, таких как ядра урана, объясняется явлением, известным как дефект масс, и принципом эквивалентности массы и энергии, сформулированным Альбертом Эйнштейном.

1. Масса и энергия связи. Согласно специальной теории относительности, масса и энергия взаимосвязаны знаменитой формулой $E = mc^2$, где $\text{E}$ – энергия, $\text{m}$ – масса, а $\text{c}$ – скорость света в вакууме. Масса атомного ядра всегда немного меньше, чем сумма масс отдельных протонов и нейтронов (нуклонов), из которых оно состоит. Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), эквивалентна энергии связи ядра ($E_{св}$) – энергии, которая удерживает нуклоны вместе и выделяется при образовании ядра: $E_{св} = \Delta m \cdot c^2$.

2. Удельная энергия связи. Для сравнения стабильности различных ядер используется удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре. Наиболее стабильными являются ядра элементов из середины таблицы Менделеева (например, железо), у которых удельная энергия связи максимальна. У очень тяжелых ядер, таких как уран, удельная энергия связи меньше.

3. Процесс деления. При делении ядро урана (например, $^{235}U$) распадается на два более легких ядра-осколка (например, ядра бария и криптона) и несколько нейтронов. Эти ядра-осколки находятся ближе к середине таблицы Менделеева и, следовательно, обладают большей удельной энергией связи. Это означает, что нуклоны в ядрах-продуктах связаны сильнее, чем в исходном ядре урана.

4. Выделение энергии. Поскольку суммарная энергия связи всех продуктов деления больше, чем энергия связи исходного ядра урана, эта избыточная энергия высвобождается. Энергетически это проявляется в том, что суммарная масса покоя продуктов деления (осколков и нейтронов) оказывается меньше, чем масса покоя исходного ядра урана. Эта "пропавшая" масса и превращается в энергию ($\Delta E$) в соответствии с формулой $E = mc^2$. Эта энергия выделяется в виде кинетической энергии разлетающихся осколков и частиц, а также в виде гамма-излучения.

Таким образом, деление ядра урана – это переход системы из менее стабильного состояния (тяжелое ядро с меньшей удельной энергией связи) в более стабильное (два легких ядра с большей удельной энергией связи), сопровождающийся выделением энергии за счет уменьшения общей массы системы.

Ответ: Энергия при делении ядер урана выделяется потому, что суммарная масса продуктов деления (ядер-осколков и нейтронов) меньше массы исходного ядра урана. Эта разница в массе (дефект масс) преобразуется в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна $E = mc^2$.