Номер 4, страница 234 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 57. Ядерные силы - номер 4, страница 234.

Условие.

4. При каких ядерных процессах выделяется энергия? Почему?

Решение.

При каких ядерных процессах выделяется энергия?

Энергия выделяется в трех основных типах ядерных процессов, в которых исходные атомные ядра превращаются в другие:

1. Реакции деления тяжелых ядер: процесс, при котором ядро тяжелого элемента (например, урана-235) при поглощении нейтрона расщепляется на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления. При этом также высвобождаются несколько свободных нейтронов и значительное количество энергии.

2. Реакции термоядерного синтеза: процесс слияния легких атомных ядер (например, изотопов водорода — дейтерия и трития) в одно более тяжелое ядро (например, гелия). Этот процесс также сопровождается выделением колоссальной энергии.

3. Радиоактивный распад: спонтанное (самопроизвольное) превращение нестабильных атомных ядер в другие ядра. Этот процесс сопровождается испусканием различных частиц (альфа-частиц, бета-частиц) и/или электромагнитного излучения (гамма-квантов), уносящих энергию.

Почему?

Причина выделения энергии в этих процессах заключается в фундаментальном физическом принципе эквивалентности массы и энергии, открытом Альбертом Эйнштейном, и связанном с ним явлении дефекта масс.

Ключевой принцип состоит в том, что энергия выделяется в любой ядерной реакции, если суммарная масса покоя продуктов реакции оказывается меньше суммарной массы покоя исходных частиц. Эта разница масс, называемая дефектом масс реакции ($ \Delta m $), не исчезает, а превращается в энергию ($ \Delta E $) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна:

$ \Delta E = \Delta m \cdot c^2 $

где $ c $ — скорость света в вакууме.

Уменьшение массы системы, в свою очередь, связано с понятием энергии связи ядра. Энергия связи — это энергия, которая удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) вместе в ядре. Она равна той энергии, которая выделилась бы при образовании ядра из отдельных нуклонов. Чем больше энергия связи, тем более стабильно ядро. Выделение энергии в реакции означает, что продукты реакции являются более стабильными (более прочно связанными), чем исходные ядра. То есть суммарная энергия связи продуктов реакции больше, чем суммарная энергия связи исходных ядер.

• При делении тяжелых ядер (например, урана) образуются осколки, которые находятся в середине таблицы Менделеева. Удельная энергия связи (энергия связи в расчете на один нуклон) у этих осколков выше, чем у исходного тяжелого ядра. Таким образом, система переходит в более прочно связанное состояние, а избыток энергии высвобождается.

• При синтезе легких ядер (например, изотопов водорода) образующееся более тяжелое ядро (гелий) имеет значительно большую удельную энергию связи, чем исходные легкие ядра. Слияние также приводит к образованию более стабильной системы, и разница в энергиях связи выделяется в виде кинетической энергии продуктов и излучения.

Таким образом, любой ядерный процесс, в результате которого образуются более стабильные ядра с большей энергией связи, будет сопровождаться выделением энергии за счет преобразования части массы покоя системы.

Ответ: Энергия выделяется в ядерных процессах деления тяжелых ядер, синтеза легких ядер и при радиоактивном распаде. Причиной этого является то, что в ходе этих реакций суммарная масса продуктов оказывается меньше суммарной массы исходных частиц. Эта разница масс (дефект масс) преобразуется в энергию согласно формуле Эйнштейна $ \Delta E = \Delta m c^2 $. Это происходит потому, что конечные ядра являются более стабильными и обладают большей энергией связи, чем исходные.