Номер 2, страница 290 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?

2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?

Термоядерные реакции — это реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер, в результате которых образуются более тяжелые ядра. Этот процесс возможен только при чрезвычайно высоких температурах по следующим причинам:

1. Электростатическое отталкивание (кулоновский барьер). Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд. Согласно закону Кулона, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому, когда два ядра сближаются, между ними возникает мощная сила электростатического отталкивания, которая препятствует их слиянию. Эта сила создает так называемый кулоновский барьер.

2. Необходимость преодоления кулоновского барьера. Для того чтобы ядра смогли слиться, они должны сблизиться на очень малое расстояние (порядка $10^{-15}$ м). На таких расстояниях начинают действовать ядерные силы — мощные силы притяжения, которые значительно превосходят кулоновское отталкивание и способны удержать нуклоны вместе в новом, более тяжелом ядре.

3. Роль высокой температуры. Чтобы преодолеть кулоновский барьер, ядра должны обладать огромной кинетической энергией. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц. При очень высоких температурах (десятки и сотни миллионов кельвинов) вещество переходит в состояние плазмы — полностью ионизированного газа, состоящего из свободных ядер и электронов. В плазме ядра движутся с колоссальными скоростями. Их кинетическая энергия становится достаточной, чтобы при столкновении преодолеть силы электростатического отталкивания и сблизиться на расстояние действия ядерных сил.

Именно поэтому реакции синтеза называют термоядерными: приставка «термо» (от греч. «тепло») указывает на то, что для их запуска и поддержания необходимы экстремально высокие температуры.

Ответ: Протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах, так как для слияния положительно заряженных атомных ядер необходимо преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание (кулоновский барьер). Высокая температура сообщает ядрам огромную кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы они при столкновении сблизились на расстояние действия сильного ядерного взаимодействия, которое и обеспечивает их слияние.

3. Какая реакция энергетически ...

(Вопрос на изображении неполный. Наиболее вероятное продолжение: «...выгоднее: синтез легких ядер или деление тяжелых?». Ответ дается на этот предполагаемый вопрос.)

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть понятие удельной энергии связи. Удельная энергия связи — это энергия связи, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре. Чем больше удельная энергия связи, тем более устойчивым является ядро.

График зависимости удельной энергии связи от массового числа $A$ (общего числа нуклонов в ядре) показывает, что максимальную удельную энергию связи имеют ядра элементов из середины таблицы Менделеева (например, железо-56, $_{26}^{56}\text{Fe}$).

Энергия выделяется в любом ядерном процессе, в результате которого суммарная удельная энергия связи продуктов реакции оказывается больше, чем у исходных ядер. Это возможно в двух случаях:

1. Синтез легких ядер (термоядерная реакция). У самых легких ядер (например, изотопов водорода — дейтерия $D$ и трития $T$) удельная энергия связи мала. При их слиянии образуется более тяжелое ядро (например, гелий $He$), которое имеет значительно большую удельную энергию связи. Разница в энергиях связи выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции. Например, в реакции синтеза дейтерия и трития: $_1^2\text{D} + _1^3\text{T} \rightarrow _2^4\text{He} + _0^1\text{n}$ выделяется около $17,6 \text{ МэВ}$ энергии. Это составляет примерно $17,6 \text{ МэВ} / 5 \text{ нуклонов} \approx 3,5 \text{ МэВ/нуклон}$.

2. Деление тяжелых ядер. У очень тяжелых ядер (например, уран-235, $_{92}^{235}\text{U}$) удельная энергия связи меньше, чем у ядер элементов из середины таблицы Менделеева. При делении такого ядра на два более легких осколка, эти осколки имеют большую удельную энергию связи. Разница также выделяется в виде энергии. Например, при делении одного ядра урана-235 выделяется в среднем около $200 \text{ МэВ}$ энергии. Это составляет примерно $200 \text{ МэВ} / 235 \text{ нуклонов} \approx 0,85 \text{ МэВ/нуклон}$.

Сравнивая энергетический выход на один нуклон, видно, что реакции синтеза легких ядер являются более энергоэффективными, чем реакции деления тяжелых ядер ($3,5 \text{ МэВ/нуклон}$ против $0,85 \text{ МэВ/нуклон}$). Это означает, что при одинаковой массе исходного «топлива» термоядерные реакции выделяют в несколько раз больше энергии, чем реакции деления.

Ответ: Реакции синтеза легких ядер (термоядерные реакции) энергетически выгоднее, чем реакции деления тяжелых ядер. Хотя при одном акте деления тяжелого ядра выделяется больше абсолютной энергии, чем при одном акте синтеза, при пересчете на единицу массы (на один нуклон) термоядерный синтез выделяет в несколько раз больше энергии.