Номер 2, страница 318 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 67. Термоядерная реакция. Ответь на вопросы - номер 2, страница 318.

Условие.

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

Решение.

Решение 2.

Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?

Термоядерные реакции — это реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в более тяжелые. Для того чтобы такая реакция произошла, атомные ядра должны сблизиться на очень малое расстояние, порядка $10^{-15}$ м, где начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы притяжения.

Однако атомные ядра заряжены положительно и поэтому испытывают сильное электростатическое (кулоновское) отталкивание друг от друга. Это отталкивание создает так называемый кулоновский барьер, который препятствует их сближению.

Чтобы преодолеть этот барьер, ядра должны обладать огромной кинетической энергией. Согласно молекулярно-кинетической теории, средняя кинетическая энергия частиц вещества прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, для сообщения ядрам необходимой для слияния энергии вещество нужно нагреть до сверхвысоких температур — порядка десятков и сотен миллионов кельвинов ($10^7 - 10^8$ K и выше). При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы, где атомы ионизированы, то есть представляют собой "голые" ядра и свободно движущиеся электроны.

Именно высокая температура обеспечивает необходимую скорость (кинетическую энергию) ядер для преодоления кулоновского отталкивания и вступления в реакцию синтеза. Стоит отметить, что благодаря квантово-механическому эффекту туннелирования, некоторым ядрам удается слиться, даже не обладая энергией, достаточной для "классического" преодоления барьера, что несколько снижает температурный порог, но он все равно остается чрезвычайно высоким.

Ответ: Для слияния легких атомных ядер необходимо преодолеть силу электростатического отталкивания между их положительными зарядами (кулоновский барьер). Это возможно только в том случае, если ядра обладают очень большой кинетической энергией, что достигается при нагреве вещества до сверхвысоких температур (десятки и сотни миллионов градусов), когда оно переходит в состояние плазмы.

3. Какая реакция энергетически...

(Предполагается, что вопрос звучит так: "Какая реакция энергетически наиболее выгодна?")

Одной из наиболее энергетически выгодных и перспективных для практического применения термоядерных реакций является реакция слияния изотопов водорода — дейтерия ($_{1}^{2}D$ или $_{1}^{2}H$) и трития ($_{1}^{3}T$ или $_{1}^{3}H$). Эта реакция имеет сравнительно низкий температурный порог (около 100 миллионов кельвинов) и большое сечение реакции (высокую вероятность протекания) по сравнению с другими реакциями синтеза.

Уравнение реакции имеет вид:

$ _{1}^{2}D + _{1}^{3}T \rightarrow _{2}^{4}He + _{0}^{1}n + 17,6 \text{ МэВ} $

В ходе этой реакции образуется ядро гелия-4 (альфа-частица) и один нейтрон. Суммарная масса продуктов реакции (ядра гелия и нейтрона) меньше суммарной массы исходных ядер (дейтерия и трития). Эта разница масс, называемая дефектом масс ($ \Delta m $), преобразуется в огромное количество энергии ($ E $) согласно формуле Эйнштейна $ E = \Delta m c^2 $.

Выделяющаяся энергия в 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт) на один акт реакции является очень большой величиной в пересчете на единицу массы топлива, что делает эту реакцию чрезвычайно эффективным источником энергии.

Ответ: Одной из самых энергетически выгодных термоядерных реакций является реакция синтеза дейтерия и трития: $ _{1}^{2}D + _{1}^{3}T \rightarrow _{2}^{4}He + _{0}^{1}n $. Она сопровождается выделением значительной энергии (17,6 МэВ) и имеет более низкий температурный порог для запуска по сравнению с другими реакциями синтеза.