Номер 7, страница 74, часть 3 - гдз по физике 9 класс рабочая тетрадь Грачев, Погожев

Часть 3. Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 58. Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика. Источники энергии Солнца и звёзд - номер 7, страница 74.

Условие.

7. Почему для получения энергии при термоядерной реакции используют лёгкие атомные ядра?

Решение.

Для получения энергии при термоядерной реакции используют лёгкие атомные ядра по двум основным причинам, связанным с законами ядерной физики.

Первая причина заключается в энергетической выгодности синтеза лёгких ядер. Стабильность атомного ядра характеризуется удельной энергией связи — энергией, приходящейся на один нуклон (протон или нейтрон). Наиболее стабильными являются ядра элементов из середины периодической таблицы, например, железа, у которых удельная энергия связи максимальна. У самых лёгких ядер (изотопов водорода, гелия, лития) эта величина значительно меньше. Когда лёгкие ядра сливаются, образуется новое, более тяжёлое ядро, которое является более прочно связанным, то есть его удельная энергия связи больше, чем у исходных ядер. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна ($E = \Delta m c^2$), этот прирост энергии связи сопровождается уменьшением суммарной массы. Разница масс (дефект массы) и выделяется в виде огромного количества энергии, уносимой продуктами реакции. Например, в реакции синтеза дейтерия и трития, масса образовавшихся гелия и нейтрона меньше, чем суммарная масса исходных ядер, а разница высвобождается в виде 17,6 МэВ энергии.

Вторая причина — это необходимость преодоления кулоновского барьера. Все атомные ядра заряжены положительно и поэтому сильно отталкиваются друг от друга на расстоянии. Чтобы заставить их слиться, необходимо сблизить их на очень малое расстояние, где начинают доминировать мощные, но короткодействующие ядерные силы притяжения. Для этого ядра должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание, называемое кулоновским барьером. Величина этого барьера прямо пропорциональна произведению зарядов ядер ($Z_1 \cdot Z_2$). Лёгкие ядра, такие как водород ($Z=1$) или гелий ($Z=2$), имеют минимальные заряды. Соответственно, кулоновский барьер для них значительно ниже, чем для тяжёлых ядер с десятками протонов. Это означает, что для запуска термоядерной реакции с лёгкими ядрами требуются более низкие (хотя всё равно экстремально высокие, порядка десятков и сотен миллионов градусов) температуры и давления, которые технически достижимы в термоядерных реакторах или в недрах звёзд.

Ответ: Лёгкие атомные ядра используют для получения энергии в термоядерных реакциях, потому что, во-первых, их слияние приводит к образованию более стабильных ядер с большей удельной энергией связи, что сопровождается выделением большого количества энергии за счёт дефекта масс. Во-вторых, из-за их малого электрического заряда сила электростатического отталкивания между ними (кулоновский барьер) относительно мала, что позволяет инициировать реакцию синтеза при технически достижимых сверхвысоких температурах.