Глава VI, страница 140, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности - страница 140.

Условие.

Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика

1. Найдите информацию (включая иллюстрации и видео) и подготовьте презентации.

Цель: научиться искать информацию в различных источниках и представлять её в разных формах.

Возможные темы для презентаций

• Советские и российские достижения в мирном освоении энергии атома.

• Перспективы получения управляемого термоядерного синтеза.

• Использование радиоизотопов в технике, сельском хозяйстве и медицине.

• Фундаментальные открытия в мире элементарных частиц.

Решение.

Советские и российские достижения в мирном освоении энергии атома

Советский Союз и его преемница Россия внесли огромный вклад в освоение атомной энергии в мирных целях, став пионерами во многих областях. Эти достижения охватывают энергетику, транспорт, науку и медицину.

Первая в мире АЭС. 27 июня 1954 года в городе Обнинске (СССР) была запущена первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт. Это событие ознаменовало начало эры ядерной энергетики. Обнинская АЭС доказала возможность безопасного использования ядерной энергии для производства электричества и стала прототипом для многих последующих станций.

Развитие реакторных технологий. В СССР были разработаны и получили широкое распространение два основных типа энергетических реакторов: ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) и РБМК (реактор большой мощности канальный). Реакторы ВВЭР, особенно современные проекты ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200, являются одними из самых безопасных и востребованных в мире. Госкорпорация "Росатом" сегодня является мировым лидером по количеству одновременно сооружаемых энергоблоков АЭС за рубежом.

Атомный ледокольный флот. СССР стал первой и единственной страной, создавшей флот атомных ледоколов. Первенец, ледокол "Ленин", был спущен на воду в 1957 году. Сегодня Россия обладает уникальным атомным ледокольным флотом, который обеспечивает круглогодичную навигацию по Северному морскому пути. Современные ледоколы, такие как "50 лет Победы" и новые ледоколы проекта 22220 ("Арктика", "Сибирь", "Урал"), не имеют аналогов в мире.

Плавучие атомные электростанции. Россия является пионером в создании мобильных атомных энергоисточников. Первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) "Академик Ломоносов" была введена в эксплуатацию в 2020 году на Чукотке. Она обеспечивает энергией удаленные регионы, заменяя устаревшие угольные станции.

Реакторы на быстрых нейтронах. Важным направлением является развитие реакторов на быстрых нейтронах, которые позволяют создать замкнутый ядерный топливный цикл, многократно расширяя топливную базу атомной энергетики и решая проблему отработанного ядерного топлива. В России успешно эксплуатируются реакторы БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС, что ставит страну в лидеры этого технологического направления.

Ответ: Выше представлена информация о ключевых достижениях СССР и России в области мирного атома, которую можно использовать для создания презентации, дополнив ее иллюстрациями (фото Обнинской АЭС, ледокола "Ленин", ПАТЭС "Академик Ломоносов") и видеоматериалами.

Перспективы получения управляемого термоядерного синтеза

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — это процесс слияния легких атомных ядер в более тяжелые с выделением колоссального количества энергии, подобный процессам, происходящим на Солнце. Освоение УТС сулит человечеству практически неисчерпаемый, экологически чистый и безопасный источник энергии.

Принцип работы. Наиболее перспективной для земных условий считается реакция слияния изотопов водорода — дейтерия (D) и трития (T):
$ ^2_1D + ^3_1T \rightarrow ^4_2He (3,5 \text{ МэВ}) + ^1_0n (14,1 \text{ МэВ}) $
Для запуска этой реакции необходимо нагреть топливо до сверхвысоких температур (свыше 100 миллионов градусов Цельсия), при которых вещество переходит в состояние плазмы. Главная научная задача — удержать эту плазму достаточно долго, чтобы выделившаяся в результате синтеза энергия превысила энергию, затраченную на ее нагрев и удержание. Это условие известно как критерий Лоусона.

Способы удержания плазмы. Существует два основных подхода к удержанию плазмы:
1. Магнитное удержание. Плазма, состоящая из заряженных частиц, удерживается в ограниченном объеме с помощью сильных магнитных полей. Наиболее успешной установкой такого типа является токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), концепция которого была предложена советскими физиками И. Е. Таммом и А. Д. Сахаровым в 1950-х годах. Прорывные результаты, полученные на советском токамаке Т-3 в 1968 году, сделали это направление основным в мировых исследованиях УТС.
2. Инерциальное удержание. Микроскопическая мишень с дейтериево-тритиевым топливом со всех сторон облучается мощными лазерными или ионными пучками. Это приводит к сжатию и нагреву мишени до термоядерных температур за очень короткое время (наносекунды), и реакция синтеза происходит до того, как мишень успевает разлететься.

Международный проект ИТЭР. Современные исследования в области УТС ведутся в рамках широкой международной кооперации. Ключевым проектом является Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР, ITER), строящийся на юге Франции. Россия является одним из полноправных участников проекта, отвечая за разработку и поставку ряда ключевых высокотехнологичных систем (гиротронов, сверхпроводников, компонентов дивертора и др.). Цель ИТЭР — продемонстрировать научную и технологическую осуществимость термоядерной энергетики.

Перспективы. Несмотря на огромные научные и инженерные сложности, прогресс в области УТС очевиден. Ожидается, что ИТЭР продемонстрирует получение мощности от реакции синтеза в 10 раз большей, чем затрачиваемая на нагрев плазмы. После успеха ИТЭР следующим шагом станет строительство демонстрационной термоядерной электростанции (DEMO), которая уже будет вырабатывать электроэнергию в сеть. Коммерческое использование термоядерной энергии ожидается во второй половине XXI века.

Ответ: Выше изложена информация о физических основах, основных направлениях исследований и перспективах управляемого термоядерного синтеза, которую можно использовать при подготовке презентации.

Использование радиоизотопов в технике, сельском хозяйстве и медицине

Радиоизотопы (радиоактивные изотопы химических элементов) нашли широчайшее применение в самых разных сферах человеческой деятельности благодаря их способности испускать ионизирующее излучение и служить "мечеными атомами".

Применение в медицине.
• Диагностика. В организм пациента вводится небольшое количество радиофармпрепарата, содержащего короткоживущий изотоп (например, технеций-99m, фтор-18). Этот препарат накапливается в определенных органах или тканях. С помощью специальных детекторов (гамма-камер) регистрируется его излучение, что позволяет получить изображение органа и оценить его функционирование. Методы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) являются золотым стандартом в диагностике онкологических, кардиологических и неврологических заболеваний.
• Терапия. Ионизирующее излучение способно разрушать раковые клетки. В лучевой терапии используются источники на основе кобальта-60 или цезия-137 для внешнего облучения опухолей. Также применяются методы, когда радиоактивный изотоп (например, йод-131 для лечения рака щитовидной железы) вводится непосредственно в организм и избирательно накапливается в опухоли, разрушая ее изнутри.
• Стерилизация. Гамма-излучение от источников на основе кобальта-60 используется для стерилизации медицинских инструментов, шприцев, перевязочных материалов, которые не выдерживают высокотемпературной обработки.

Применение в технике и промышленности.
• Дефектоскопия. Гамма-излучение изотопов, таких как иридий-192 или кобальт-60, используется для контроля качества сварных швов, литых деталей и других промышленных изделий. Проходя через объект, излучение ослабляется, и по его интенсивности на детекторе можно судить о наличии внутренних дефектов (трещин, пустот).
• Контрольно-измерительные приборы. Радиоизотопные приборы применяются для бесконтактного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях, толщины проката или бумаги, плотности различных сред.
• Датчики дыма. В бытовых пожарных извещателях часто используется небольшое количество америция-241. Его альфа-частицы ионизируют воздух в камере, создавая слабый электрический ток. Частицы дыма, попадая в камеру, нарушают этот ток, что и вызывает срабатывание сигнализации.

Применение в сельском хозяйстве.
• Селекция растений. Облучение семян или растений гамма-лучами вызывает мутации, что позволяет селекционерам создавать новые, более урожайные и устойчивые к болезням сорта культур.
• Борьба с насекомыми-вредителями. Метод стерилизации насекомых заключается в массовом разведении самцов вредителя, их стерилизации облучением и последующем выпуске в природу. Спариваясь с дикими самками, они не дают потомства, что приводит к резкому сокращению популяции.
• Консервация продуктов. Обработка пищевых продуктов (зерна, овощей, мяса) ионизирующим излучением уничтожает микроорганизмы и насекомых-вредителей, что значительно увеличивает срок их хранения, не делая сами продукты радиоактивными.

Ответ: Выше приведены примеры использования радиоизотопов в различных областях, которые могут стать основой для презентации, иллюстрированной схемами ПЭТ-сканера, гамма-дефектоскопа и примерами облученных продуктов.

Фундаментальные открытия в мире элементарных частиц

Физика элементарных частиц изучает фундаментальные "кирпичики" мироздания и силы, которые управляют их взаимодействием. XX и начало XXI века стали временем революционных открытий в этой области, которые привели к созданию Стандартной модели — теории, описывающей большинство известных частиц и взаимодействий.

Открытие субатомных частиц. В начале XX века было установлено, что атом состоит из электрона (открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г.), протона и нейтрона (открыт Дж. Чедвиком в 1932 г.), образующих ядро. Эти открытия разрушили представление о неделимости атома.

Антиматерия и новые частицы. В 1928 году Поль Дирак теоретически предсказал существование античастиц. В 1932 году Карл Андерсон экспериментально открыл позитрон — античастицу электрона. В последующие десятилетия с помощью ускорителей частиц и в космических лучах был открыт целый "зоопарк" новых частиц: мюоны, пионы, каоны и другие.

Кварковая модель. Для упорядочивания этого многообразия частиц в 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили гипотезу, что адроны (протоны, нейтроны и др.) не являются элементарными, а состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Эксперименты по глубоконеупругому рассеянию электронов на протонах в конце 1960-х подтвердили эту гипотезу. Сегодня известно шесть типов ("ароматов") кварков (u, d, s, c, b, t) и шесть типов лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино), которые считаются истинно элементарными.

Стандартная модель. К 1970-м годам сложилась Стандартная модель (СМ), которая описывает все вещество через кварки и лептоны, а взаимодействия между ними — через обмен частицами-переносчиками (калибровочными бозонами):
• Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами ($ \gamma $).
• Сильное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов, переносится глюонами (g).
• Слабое взаимодействие, ответственное за некоторые виды радиоактивного распада, переносится W- и Z-бозонами.
Гравитационное взаимодействие, самое слабое из четырех, в Стандартную модель не входит.

Открытие бозона Хиггса. Одним из ключевых элементов СМ является механизм Хиггса, который объясняет, почему частицы имеют массу. Этот механизм предсказывал существование новой частицы — бозона Хиггса. После десятилетий поисков он был экспериментально открыт в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН. Это открытие стало триумфом Стандартной модели.

За пределами Стандартной модели. Несмотря на свой успех, СМ не является полной теорией. Она не объясняет существование темной материи и темной энергии, не включает гравитацию, не объясняет массу нейтрино. Поиск "новой физики" за пределами Стандартной модели является главной задачей современной физики элементарных частиц. Эксперименты на БАК и других установках продолжают искать ответы на эти фундаментальные вопросы.

Ответ: Выше представлена краткая история ключевых открытий в физике элементарных частиц и основы Стандартной модели, что может быть использовано для подготовки презентации на данную тему.