Номер 2, страница 116 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

2. Почему для осуществления ядерных реакций заряженные частицы должны обладать высокими энергиями?

Решение

Для того чтобы произошла ядерная реакция, необходимо, чтобы налетающая частица вошла в область действия сильного ядерного взаимодействия с ядром-мишенью. Сильное взаимодействие является короткодействующим и проявляется на расстояниях порядка размеров самого ядра (около $10^{-15}$ м).

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Заряженные частицы, используемые для бомбардировки ядер (например, протоны, альфа-частицы), также, как правило, заряжены положительно. Согласно закону Кулона, между одноименными зарядами возникает сила отталкивания. Эта сила создает вокруг ядра потенциальный барьер, известный как кулоновский барьер.

Когда заряженная частица приближается к ядру, сила кулоновского отталкивания возрастает, препятствуя их сближению. Чтобы преодолеть этот барьер и попасть в зону действия ядерных сил, налетающая частица должна обладать достаточной кинетической энергией. Эта энергия должна быть как минимум равна высоте кулоновского барьера, то есть потенциальной энергии взаимодействия частицы и ядра на границе действия ядерных сил.

Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия двух зарядов $q_1$ и $q_2$ на расстоянии $\text{r}$ определяется формулой:

$U = k \frac{q_1 q_2}{r}$

где $\text{k}$ — постоянная Кулона. Чтобы частица с зарядом $q_1$ достигла ядра с зарядом $q_2$ на расстоянии $\text{r}$, ее начальная кинетическая энергия $E_k$ должна быть больше или равна $\text{U}$.

Таким образом, для преодоления электростатического отталкивания и сближения с ядром на нужное для реакции расстояние, заряженные частицы необходимо разогнать до очень высоких скоростей, то есть сообщить им большую кинетическую энергию. Это достигается, например, в ускорителях заряженных частиц или в условиях сверхвысоких температур (термоядерные реакции в звездах).

В отличие от заряженных частиц, нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому для них кулоновский барьер отсутствует. По этой причине даже медленные (тепловые) нейтроны могут эффективно вызывать ядерные реакции.

Ответ: Заряженные частицы должны обладать высокими энергиями для того, чтобы преодолеть силу электростатического (кулоновского) отталкивания со стороны положительно заряженного атомного ядра и сблизиться с ним на расстояние, достаточное для вступления в действие сильного ядерного взаимодействия, которое инициирует ядерную реакцию.