Номер 2, страница 244 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 62. Термоядерные реакции - номер 2, страница 244.

Условие.

2. Почему реакция синтеза лёгких ядер происходит только при очень высоких температурах?

Решение.

Реакция синтеза лёгких ядер, также известная как термоядерная реакция, представляет собой процесс слияния двух или более атомных ядер с образованием одного, более тяжёлого ядра. Для осуществления этого процесса необходимо преодолеть силы электростатического отталкивания между ядрами.

Ключевой причиной, по которой для синтеза требуются чрезвычайно высокие температуры, является существование кулоновского барьера. Атомные ядра состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, поэтому каждое ядро имеет суммарный положительный заряд. Согласно закону Кулона, одноимённо заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Эта сила отталкивания, $F_{кул} = k \frac{q_1 q_2}{r^2}$, создаёт потенциальный барьер, который препятствует сближению ядер.

Слияние ядер возможно только в том случае, если они сблизятся на расстояние порядка $10^{-15}$ м. На таких сверхмалых расстояниях в действие вступают сильные ядерные взаимодействия. Это фундаментальные силы притяжения, которые связывают нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Ядерные силы намного мощнее кулоновского отталкивания, но их радиус действия очень мал.

Чтобы преодолеть кулоновский барьер и попасть в зону действия ядерных сил, сталкивающиеся ядра должны обладать огромной кинетической энергией. В веществе, нагретом до высокой температуры, частицы движутся с большими скоростями. Средняя кинетическая энергия теплового движения частиц пропорциональна абсолютной температуре ($E_к \sim kT$). При температурах в десятки и сотни миллионов кельвинов, которые существуют, например, в ядрах звёзд, кинетическая энергия ядер становится достаточной, чтобы при столкновении они могли преодолеть взаимное отталкивание и слиться воедино.

Ответ: Реакция синтеза лёгких ядер происходит только при очень высоких температурах, потому что для слияния положительно заряженные ядра должны преодолеть силы электростатического отталкивания (кулоновский барьер). Высокая температура сообщает ядрам огромную кинетическую энергию, достаточную для сближения на расстояние, где начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы притяжения, которые и осуществляют слияние.