Номер 874, страница 129 - 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 874, страница 129.

Условие.

► 874. Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжёлых ядер (урана, плутония) либо синтезом (слиянием) лёгких ядер изотопов водорода — дейтерия и трития (термоядерный синтез). Нет ли здесь противоречия? Как объяснить выделение энергии при слиянии лёгких ядер?

Решение.

Нет ли здесь противоречия?

Видимого противоречия нет. Выделение энергии как при делении тяжелых ядер, так и при слиянии легких, объясняется одним и тем же фундаментальным принципом, связанным с энергией связи атомного ядра. Ключевой характеристикой является удельная энергия связи — энергия, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре. График зависимости этой величины от массового числа показывает, что максимальной удельной энергией связи, а значит и наибольшей устойчивостью, обладают ядра элементов, расположенных в середине периодической таблицы (например, железо с массовым числом A ≈ 56). Ядра как очень легких элементов (изотопы водорода), так и очень тяжелых (уран, плутоний) менее устойчивы, так как их удельная энергия связи меньше.

Энергия выделяется в любом ядерном процессе, в результате которого образуются более устойчивые ядра. Поэтому энергетически выгодны два процесса: деление очень тяжелых ядер на более легкие и слияние очень легких ядер в более тяжелые. В обоих случаях продукты реакции оказываются ближе к пику кривой удельной энергии связи, чем исходные ядра.

Как объяснить выделение энергии при слиянии лёгких ядер?

Выделение энергии при слиянии (синтезе) легких ядер объясняется явлением дефекта масс. Масса любого атомного ядра всегда меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов в свободном состоянии. При синтезе легких ядер, например, дейтерия ($^{2}_{1}H$) и трития ($^{3}_{1}H$), в более тяжелое ядро гелия ($^{4}_{2}He$), оказывается, что суммарная масса исходных ядер больше, чем масса образовавшегося ядра гелия и других продуктов реакции (например, нейтрона).

Эта разница масс, или дефект массы ${\Delta}m$, не исчезает, а преобразуется в энергию ${\Delta}E$ в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии Эйнштейна:

${\Delta}E = {\Delta}m c^2$

где $c$ — скорость света в вакууме. Так как множитель $c^2$ является очень большой величиной, даже небольшая потеря массы приводит к выделению колоссального количества энергии. Эта энергия и есть энергия термоядерного синтеза, которая выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции.

Ответ: Противоречия нет. И деление тяжелых ядер, и синтез легких приводят к образованию более стабильных ядер с большей удельной энергией связи, что и сопровождается выделением энергии. При слиянии легких ядер масса образовавшегося ядра меньше суммы масс исходных ядер. Эта разница масс (дефект массы) ${\Delta}m$ преобразуется в энергию согласно соотношению ${\Delta}E = {\Delta}m c^2$.