Номер 9, 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 9, страница 242.

Условие.

9. Почему для протекания термоядерной реакции необходима высокая температура?

Решение.

8. Термоядерными реакциями, или реакциями ядерного синтеза, называют процесс слияния легких атомных ядер в более тяжелые, который происходит при чрезвычайно высоких температурах (свыше $ 10^7 $ К) и давлении. Эти реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии.

Выделение энергии объясняется тем, что масса конечного, более тяжелого ядра оказывается меньше, чем суммарная масса исходных легких ядер. Эта разница в массе, называемая дефектом масс ($ \Delta m $), преобразуется в энергию ($ E $) согласно знаменитому уравнению Эйнштейна:

$ E = \Delta m c^2 $

где $ c $ — скорость света в вакууме.

Классическим примером термоядерной реакции является синтез ядра гелия из ядер изотопов водорода — дейтерия ($ _1^2H $) и трития ($ _1^3H $). Эта реакция считается наиболее перспективной для осуществления управляемого термоядерного синтеза на Земле:

$ _1^2H + _1^3H \rightarrow _2^4He + _0^1n + 17,6 \text{ МэВ} $

Именно термоядерные реакции являются основным источником энергии Солнца и других звезд.

Ответ: Термоядерными реакциями называют реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые, которые происходят при сверхвысоких температурах и сопровождаются выделением большого количества энергии.

9. Для протекания термоядерной реакции необходима высокая температура для преодоления силы электростатического отталкивания между атомными ядрами, известной как кулоновский барьер.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный электрический заряд. Согласно закону Кулона, одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Эта сила отталкивания тем больше, чем меньше расстояние между частицами. Чтобы два ядра слились в одно, они должны сблизиться на расстояние действия сильного ядерного взаимодействия (порядка $ 10^{-15} $ м). Это взаимодействие намного мощнее электростатического, но действует только на очень малых расстояниях.

Чтобы преодолеть кулоновский барьер и сблизить положительно заряженные ядра на такое расстояние, они должны обладать очень большой кинетической энергией. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц. Следовательно, чтобы сообщить ядрам достаточную скорость и энергию для преодоления отталкивания, вещество необходимо нагреть до сверхвысоких температур — десятков и сотен миллионов градусов. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы, то есть представляет собой газ из ионизированных атомов (ядер и свободных электронов), движущихся с огромными скоростями.

Ответ: Высокая температура необходима для того, чтобы сообщить атомным ядрам достаточную кинетическую энергию для преодоления их взаимного электростатического отталкивания (кулоновского барьера), что позволяет им сблизиться на расстояние, на котором начинают действовать ядерные силы притяжения, приводящие к синтезу.