Номер 8, страница 242 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 48. Деление и синтез ядер. Цепная реакция. Вопросы - номер 8, страница 242.

Условие.

7. Почему при делении ядер урана выделяется?

Решение.

7. При делении ядер урана выделяется энергия из-за явления, известного как дефект масс. Суть этого явления заключается в том, что масса тяжёлого атомного ядра (например, урана-235) оказывается больше, чем суммарная масса осколков, на которые оно распадается.

Процесс можно описать следующим образом:
1. Ядерные силы и энергия связи: Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре связаны между собой мощными ядерными силами. Энергия, необходимая для полного разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем больше энергия связи, тем стабильнее ядро. Удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на один нуклон) максимальна для элементов в середине таблицы Менделеева (например, железо) и меньше для очень тяжёлых ядер, как уран.
2. Деление ядра: Когда ядро урана-235 поглощает медленный нейтрон, оно становится нестабильным и делится на два (иногда три) более лёгких ядра-осколка, при этом испускается несколько свободных нейтронов. Эти осколки находятся ближе к середине таблицы Менделеева и, следовательно, обладают большей удельной энергией связи.
3. Выделение энергии: Поскольку суммарная энергия связи нуклонов в продуктах реакции (осколках) больше, чем в исходном ядре урана, система переходит в более стабильное состояние с меньшей внутренней энергией. Разница в энергиях связи выделяется в виде кинетической энергии осколков деления и нейтронов, а также в виде энергии гамма-квантов.
4. Эквивалентность массы и энергии: Согласно знаменитой формуле Эйнштейна $E = mc^2$, энергия и масса взаимосвязаны. Уменьшение массы системы (дефект масс $\Delta m$) при делении соответствует выделению энергии $\Delta E = \Delta m c^2$, где $\text{c}$ — скорость света в вакууме. Масса покоя продуктов деления оказывается меньше массы покоя исходного ядра урана и нейтрона, и эта разница масс преобразуется в колоссальное количество энергии.

Таким образом, энергия при делении урана выделяется потому, что продукты деления (более лёгкие ядра) являются более прочно связанными, чем исходное тяжёлое ядро.

Ответ: Энергия при делении ядер урана выделяется из-за того, что суммарная масса продуктов деления (осколков) меньше массы исходного ядра. Эта разница масс, называемая дефектом масс, преобразуется в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна $E = \Delta m c^2$. Это происходит потому, что нуклоны в образовавшихся более лёгких ядрах связаны сильнее (имеют большую удельную энергию связи), чем в исходном тяжёлом ядре урана.

8. Термоядерными реакциями (или реакциями ядерного синтеза) называют реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые, которые протекают при сверхвысоких температурах (порядка десятков и сотен миллионов кельвинов) и давлениях.

Ключевые особенности термоядерных реакций:
1. Условия протекания: Слово "термо" в названии указывает на решающую роль температуры. Атомные ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются друг от друга (кулоновское отталкивание). Чтобы преодолеть этот кулоновский барьер и сблизиться на расстояние, где начинают действовать короткодействующие, но гораздо более мощные ядерные силы, ядра должны обладать огромной кинетической энергией. Такая энергия достигается только при очень высоких температурах, когда вещество находится в состоянии плазмы (полностью или частично ионизированного газа).
2. Выделение энергии: Подобно реакциям деления, термоядерные реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии. Это также объясняется дефектом масс: масса образовавшегося в результате синтеза более тяжёлого ядра оказывается меньше суммы масс исходных лёгких ядер. Разница масс ($\Delta m$) переходит в энергию ($\Delta E = \Delta m c^2$), которая уносится продуктами реакции (например, частицами и фотонами). Удельная энергия связи у лёгких ядер (например, водорода) меньше, чем у более тяжёлых, образующихся в результате синтеза (например, гелия), поэтому слияние приводит к выделению энергии.
3. Примеры: Наиболее известные примеры термоядерных реакций — это процессы, происходящие в недрах звёзд, включая наше Солнце. В них водород превращается в гелий. Пример реакции, которую стремятся воспроизвести на Земле для получения энергии: слияние изотопов водорода — дейтерия ($\text{D}$ или $_1^2H$) и трития ($\text{T}$ или $_1^3H$):
$ _1^2H + _1^3H \rightarrow _2^4He + _0^1n + 17.6 \text{ МэВ} $

Термоядерные реакции являются источником энергии звёзд и лежат в основе действия водородной (термоядерной) бомбы и разработок в области управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Ответ: Термоядерными реакциями называют реакции слияния (синтеза) лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящие при сверхвысоких температурах (миллионы градусов) и давлениях. Такие условия необходимы для того, чтобы ядра могли преодолеть силу электростатического отталкивания и сблизиться на расстояние действия ядерных сил.