Номер 870, страница 128 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Биологическое действие радиации. Термоядерная реакция - номер 870, страница 128.

Условие.

870. Почему для термоядерного синтеза используют лёгкие атомные ядра?

Решение.

Для термоядерного синтеза используют лёгкие атомные ядра по двум основным причинам: энергетическая выгодность реакции и необходимость преодоления кулоновского барьера.

1. Энергетическая выгодность

Энергия в ядерных реакциях выделяется, если масса продуктов реакции меньше массы исходных частиц. Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), преобразуется в энергию согласно знаменитой формуле Эйнштейна $E = \Delta m c^2$.

Стабильность атомного ядра характеризуется удельной энергией связи — энергией, приходящейся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре. График зависимости удельной энергии связи от массового числа атома показывает, что у самых лёгких ядер (например, изотопов водорода — дейтерия и трития) эта энергия минимальна. Она возрастает с увеличением массового числа, достигая максимума в области элементов группы железа (Fe), а затем медленно убывает для более тяжёлых элементов.

Когда лёгкие ядра сливаются в одно более тяжёлое ядро, удельная энергия связи нового ядра оказывается больше, чем у исходных. Это означает, что новое ядро более стабильно, а часть массы исходных ядер переходит в энергию, которая и выделяется в ходе реакции. Таким образом, синтез лёгких ядер вплоть до железа является экзотермическим процессом, то есть процессом с выделением энергии.

2. Преодоление кулоновского барьера

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, поэтому ядра отталкиваются друг от друга с силой, описываемой законом Кулона. Чтобы произошло слияние (синтез), ядра необходимо сблизить на расстояние действия сильного ядерного взаимодействия (порядка $10^{-15}$ м), которое намного сильнее электростатического отталкивания, но действует на очень коротких дистанциях. Для этого ядрам нужно сообщить огромную кинетическую энергию, чтобы они смогли преодолеть силу отталкивания — так называемый кулоновский барьер.

Величина кулоновского барьера прямо пропорциональна произведению зарядов сталкивающихся ядер. Лёгкие ядра, такие как изотопы водорода (дейтерий, $Z=1$) или гелия ($Z=2$), имеют минимальный заряд. Следовательно, сила их взаимного отталкивания и высота кулоновского барьера значительно ниже, чем у тяжёлых ядер с большим числом протонов. Это означает, что для запуска термоядерной реакции с лёгкими ядрами требуются хоть и экстремально высокие, но всё же достижимые на практике температуры (десятки и сотни миллионов кельвинов), при которых кинетическая энергия ядер становится достаточной для преодоления их взаимного отталкивания.

Ответ: Лёгкие атомные ядра используются для термоядерного синтеза, потому что их слияние приводит к образованию более стабильного ядра с большей удельной энергией связи, что сопровождается выделением огромного количества энергии. Кроме того, лёгкие ядра имеют малый электрический заряд, что значительно снижает силу их взаимного отталкивания (кулоновский барьер) и делает возможным запуск реакции синтеза при достижимых температурах.