Номер 3, страница 116 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

3. Почему под действием протонов ядерные реакции осуществляются только при высоких значениях их энергии, а под действием нейтронов ядерные реакции осуществляются при любых значениях энергии?

Решение:

Основное различие в поведении протонов и нейтронов при взаимодействии с атомными ядрами обусловлено их фундаментальным свойством — электрическим зарядом.

Взаимодействие протонов с ядром:
Протон является положительно заряженной частицей ($q_p = +e$). Атомное ядро также заряжено положительно, поскольку состоит из протонов, и его общий заряд составляет $Z \cdot e$, где $\text{Z}$ — количество протонов в ядре (зарядовое число).

Согласно закону Кулона, одноименные заряды отталкиваются. Поэтому, когда протон приближается к ядру, он испытывает мощное электростатическое отталкивание. Эта сила создает для протона своего рода «энергетический холм», который называется кулоновским барьером. Чтобы инициировать ядерную реакцию, протон должен преодолеть этот барьер и приблизиться к ядру на очень малое расстояние (порядка $10^{-15}$ м), где начинают действовать ядерные силы притяжения (сильное взаимодействие), которые значительно сильнее кулоновского отталкивания, но действуют на очень коротких дистанциях.

Для преодоления кулоновского барьера протон должен обладать очень высокой начальной кинетической энергией. Эта энергия должна быть сравнима с высотой потенциального барьера. Если энергия протона недостаточна, он будет отброшен от ядра электростатическим полем, и ядерная реакция не произойдет. Именно поэтому для запуска ядерных реакций с помощью протонов их необходимо предварительно ускорять до высоких энергий в ускорителях частиц.

Взаимодействие нейтронов с ядром:
Нейтрон, в отличие от протона, является электрически нейтральной частицей ($q_n = 0$). Отсутствие заряда означает, что он не взаимодействует с электрическим полем ядра. Для нейтрона не существует кулоновского барьера.

Благодаря этому нейтрон может беспрепятственно приблизиться к ядру даже при очень низкой, почти нулевой кинетической энергии. Такие медленные нейтроны называют тепловыми. Как только нейтрон оказывается в радиусе действия ядерных сил, он захватывается ядром, что приводит к образованию нового, возбужденного составного ядра. Это возбужденное ядро затем распадается, что и представляет собой ядерную реакцию.

Таким образом, для нейтронов не существует минимального энергетического порога для начала реакции. Они могут вызывать ядерные превращения при любых значениях энергии. Более того, для многих типов ядерных реакций (например, деления урана-235) вероятность взаимодействия с медленными нейтронами даже выше, чем с быстрыми.

Ответ: Протоны, будучи положительно заряженными, отталкиваются от положительно заряженных ядер, и для преодоления этого кулоновского барьера им необходима высокая кинетическая энергия. Нейтроны электрически нейтральны, поэтому для них кулоновский барьер отсутствует, и они могут вступать в ядерные реакции, обладая любой, даже сколь угодно малой, энергией.