Номер 2, страница 88 - гдз по физике 9 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Самостоятельные работы. СР-67. Термоядерная реакция. Вариант 1 - номер 2, страница 88.

Условие.

2. В каком случае выделяется большая энергия — при делении тяжёлых ядер или при синтезе лёгких ядер?

Решение.

2. В каком случае выделяется большая энергия — при делении тяжёлых ядер или при синтезе лёгких ядер?

Решение

И деление тяжёлых ядер, и синтез лёгких ядер — это ядерные реакции, сопровождающиеся выделением энергии. Выделение энергии в обоих случаях объясняется изменением удельной энергии связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Удельная энергия связи — это энергия, приходящаяся на один нуклон в ядре. Максимальной удельной энергией связи обладают ядра химических элементов, находящихся в середине таблицы Менделеева (например, железо).

Энергия выделяется, когда в результате реакции образуются ядра с большей удельной энергией связи. Это происходит в двух случаях:

1. При делении очень тяжёлых ядер (например, урана) на более лёгкие осколки. Удельная энергия связи осколков больше, чем у исходного тяжёлого ядра.
2. При синтезе (слиянии) очень лёгких ядер (например, изотопов водорода) в более тяжёлые. Удельная энергия связи образовавшегося ядра больше, чем у исходных лёгких ядер.

В обоих процессах суммарная масса продуктов реакции оказывается меньше массы исходных частиц. Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), преобразуется в энергию согласно знаменитой формуле Эйнштейна: $E = \Delta m c^2$.

Чтобы ответить на вопрос, в каком случае выделяется бóльшая энергия, необходимо сравнить энергетический выход этих реакций. Сравнение можно провести двумя способами: на один акт реакции и на единицу массы (на один нуклон).

• Энергия на один акт реакции. При делении одного ядра урана-235 ($^{235}U$) выделяется в среднем около $200 \text{ МэВ}$ энергии. В то же время, в одной из наиболее перспективных реакций термоядерного синтеза — слиянии ядер дейтерия ($\text{D}$) и трития ($\text{T}$) — выделяется $17.6 \text{ МэВ}$. Таким образом, один акт деления тяжёлого ядра высвобождает больше энергии, чем один акт синтеза лёгких ядер.
• Энергия на единицу массы (на один нуклон). Это более показательная характеристика для оценки эффективности источника энергии.
  Для деления урана-235 ($A=235$): $ \frac{200 \text{ МэВ}}{235 \text{ нуклонов}} \approx 0.85 \text{ МэВ/нуклон} $.
  Для синтеза дейтерия ($A=2$) и трития ($A=3$), где всего участвует 5 нуклонов: $ \frac{17.6 \text{ МэВ}}{5 \text{ нуклонов}} = 3.52 \text{ МэВ/нуклон} $.
  Сравнение показывает, что при синтезе лёгких ядер на единицу массы топлива выделяется почти в 4 раза больше энергии, чем при делении тяжёлых.

Таким образом, хотя каждая отдельная реакция деления высвобождает больше энергии, термоядерный синтез является значительно более мощным и эффективным процессом с точки зрения выхода энергии на единицу массы.

Ответ: При синтезе лёгких ядер выделяется бóльшая энергия в расчёте на единицу массы (на один нуклон) исходного вещества. Термоядерный синтез является более энергоэффективным процессом по сравнению с делением тяжёлых ядер.