Номер 6, страница 238 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 47. Радиоактивный распад. Ядерные реакции. Вопросы - номер 6, страница 238.

Условие.

6. Какие законы сохранения выполняются в ядерных реакциях!

Решение.

6. В ядерных реакциях, как и в любых физических процессах, выполняется ряд фундаментальных законов сохранения. Основные из них:

1. Закон сохранения электрического заряда. Сумма алгебраических зарядов частиц до реакции равна сумме алгебраических зарядов частиц после реакции. Поскольку заряд ядра определяется числом протонов $\text{Z}$ (зарядовым числом), то этот закон означает, что сумма зарядовых чисел исходных частиц равна сумме зарядовых чисел продуктов реакции. Для общей реакции вида $_{Z_1}^{A_1}X_1 + _{Z_2}^{A_2}X_2 \rightarrow _{Z_3}^{A_3}X_3 + _{Z_4}^{A_4}X_4$ это записывается как $Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4$.

2. Закон сохранения числа нуклонов (массового числа). Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в изолированной системе сохраняется. Это означает, что сумма массовых чисел $\text{A}$ частиц до реакции равна сумме массовых чисел частиц после реакции. Для той же реакции: $A_1 + A_2 = A_3 + A_4$. Важно отметить, что масса покоя системы при этом не сохраняется.

3. Закон сохранения энергии-массы. Полная энергия системы, включающая энергию покоя частиц ($E_0=mc^2$) и их кинетическую энергию, сохраняется. В ядерных реакциях часть массы покоя исходных ядер может переходить в кинетическую энергию продуктов реакции (экзотермическая реакция с выделением энергии) или, наоборот, кинетическая энергия сталкивающихся частиц может идти на увеличение массы покоя продуктов (эндотермическая реакция с поглощением энергии). Энергетический выход реакции определяется как $\Delta E = \Delta m c^2 = (m_{до} - m_{после})c^2$.

4. Закон сохранения импульса. Векторная сумма импульсов всех частиц до реакции равна векторной сумме импульсов всех частиц после реакции. Этот закон определяет кинематику реакции, например, углы разлёта и скорости продуктов.

5. Закон сохранения момента импульса. Суммарный момент импульса системы (включая орбитальные моменты и собственные моменты частиц – спины) до реакции равен суммарному моменту импульса после реакции.

В физике элементарных частиц к этому списку добавляются также законы сохранения барионного заряда (который для ядерных реакций сводится к закону сохранения числа нуклонов) и лептонного заряда.

Ответ: В ядерных реакциях выполняются законы сохранения электрического заряда, массового числа (числа нуклонов), энергии-массы, импульса и момента импульса.

7. Для того чтобы осуществить ядерную реакцию, необходимо сблизить частицы (например, два атомных ядра или ядро и элементарную частицу) на очень малое расстояние, сопоставимое с размерами ядра, то есть порядка $10^{-15}$ м. Только на таких расстояниях начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы, которые могут привести к перестройке ядра.

Основным препятствием для такого сближения является сила электростатического отталкивания (кулоновская сила) между положительно заряженными ядрами и/или налетающими на них положительно заряженными частицами (протонами, альфа-частицами). Чтобы преодолеть этот так называемый "кулоновский барьер", взаимодействующие частицы должны обладать очень большой кинетической энергией. Существует несколько способов этого добиться:

1. Бомбардировка ядер ускоренными частицами. В специальных установках – ускорителях заряженных частиц (циклотронах, синхрофазотронах и т.д.) – протонам, дейтронам, альфа-частицам или ионам более тяжелых элементов сообщается огромная кинетическая энергия. Этой энергии достаточно, чтобы преодолеть кулоновский барьер ядра-мишени и вызвать реакцию.

2. Использование нейтронов. Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому они не испытывают кулоновского отталкивания со стороны атомных ядер. Благодаря этому даже очень медленные (тепловые) нейтроны могут беспрепятственно проникать в ядра и вызывать ядерные реакции. Этот метод является основой работы ядерных реакторов, где нейтроны вызывают цепную реакцию деления урана.

3. Создание сверхвысоких температур (термоядерный синтез). При температурах в десятки и сотни миллионов градусов, существующих внутри звезд или создаваемых искусственно для управляемого термоядерного синтеза, ядра легких элементов (например, изотопов водорода) движутся с огромными скоростями. Кинетической энергии их теплового движения оказывается достаточно, чтобы при столкновениях преодолевать кулоновский барьер и вступать в реакцию синтеза с образованием более тяжелых ядер.

Ответ: Чтобы осуществить ядерную реакцию, необходимо сблизить частицы на расстояние действия ядерных сил. Для этого нужно либо сообщить им большую кинетическую энергию для преодоления кулоновского отталкивания (с помощью ускорителей частиц или нагрева до сверхвысоких температур), либо использовать для бомбардировки ядер нейтральные частицы (нейтроны), которые не испытывают такого отталкивания.