Ответьте на вопросы, страница 228 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему строительство атомных электростанций стало актуальным для Казахстана?

2. Почему деление тяжелых ядер энергетически выгодно?

1. Почему строительство атомных электростанций стало актуальным для Казахстана?

Строительство атомных электростанций (АЭС) стало актуальным для Казахстана по ряду стратегических причин, связанных с энергетической безопасностью, экономикой и экологией.

Во-первых, растущий спрос на электроэнергию. Экономика Казахстана растет, развивается промышленность, увеличивается численность населения, что ведет к неуклонному росту потребления электроэнергии. Существующие генерирующие мощности, в значительной степени представленные устаревшими угольными ТЭЦ, могут не справиться с прогнозируемым дефицитом электроэнергии в будущем.

Во-вторых, необходимость диверсификации источников энергии. В настоящее время более 70% электроэнергии в стране вырабатывается на угольных станциях. Такая сильная зависимость от одного вида топлива создает риски для энергетической безопасности. Атомная энергетика позволит диверсифицировать энергобаланс страны, сделав его более устойчивым и надежным.

В-третьих, наличие собственной ресурсной базы. Казахстан является мировым лидером по добыче природного урана. Строительство собственных АЭС позволит использовать добываемое сырье внутри страны, создавая полный цикл производства – от добычи урана до генерации электроэнергии. Это не только повышает энергетическую независимость, но и создает добавленную стоимость.

В-четвертых, экологические обязательства. Казахстан, как и многие страны мира, взял на себя обязательства по сокращению выбросов парниковых газов в рамках Парижского соглашения. АЭС практически не производят выбросов $CO_2$ в атмосферу, что делает их одним из ключевых инструментов для декарбонизации экономики и улучшения экологической обстановки, особенно в промышленных регионах, страдающих от загрязнения воздуха угольными ТЭЦ.

В-пятых, экономические и технологические преимущества. Атомная энергетика – это высокотехнологичная отрасль, развитие которой стимулирует науку, образование и смежные отрасли промышленности, а также создает новые квалифицированные рабочие места.

Ответ: Строительство АЭС стало актуальным для Казахстана из-за необходимости покрыть растущий дефицит электроэнергии, снизить зависимость от угольной генерации, выполнить международные экологические обязательства по снижению выбросов $CO_2$, а также использовать собственную богатую ресурсную базу урана для обеспечения энергетической независимости и технологического развития страны.

2. Почему деление тяжелых ядер энергетически выгодно?

Решение:

Энергетическая выгодность деления тяжелых ядер объясняется фундаментальным свойством атомных ядер, которое описывается через удельную энергию связи.

1. Масса ядра и энергия связи. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые вместе называются нуклонами. Нуклоны в ядре удерживаются мощными ядерными силами. Согласно теории относительности Эйнштейна, масса и энергия взаимосвязаны формулой $E = mc^2$. Оказывается, что масса любого стабильного ядра ($M_я$) всегда меньше, чем сумма масс составляющих его отдельных протонов ($Z \cdot m_p$) и нейтронов ($N \cdot m_n$). Эта разница в массе, называемая дефектом масс ($\Delta m$), и есть та энергия, которая выделилась при образовании ядра и которая необходима для его расщепления на отдельные нуклоны.

$\Delta m = (Z \cdot m_p + N \cdot m_n) - M_я$

Энергия, эквивалентная этому дефекту масс, называется энергией связи ядра: $E_{св} = \Delta m \cdot c^2$.

2. Удельная энергия связи. Для сравнения стабильности разных ядер используют удельную энергию связи ($\epsilon$) – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре: $\epsilon = E_{св} / A$, где $A = Z+N$ – массовое число (общее число нуклонов).

Чем больше удельная энергия связи, тем прочнее ядро и тем оно стабильнее.

3. Зависимость удельной энергии связи от массового числа. График зависимости $\epsilon$ от $A$ показывает, что удельная энергия связи сначала быстро растет для легких ядер, достигает максимума в районе элементов с массовым числом $A \approx 50-60$ (например, железо-56, $Fe^{56}$), а затем медленно убывает для тяжелых ядер (например, уран, $U^{235}$).

4. Процесс деления. Деление – это процесс, при котором тяжелое ядро (например, уран-235) распадается на два (реже три) более легких ядра-осколка. Эти осколки находятся в средней части таблицы Менделеева, где удельная энергия связи выше, чем у исходного тяжелого ядра. Это означает, что нуклоны в ядрах-осколках связаны друг с другом прочнее, чем в ядре урана. Переход системы из менее связанного состояния (тяжелое ядро) в более связанное (ядра-осколки) сопровождается высвобождением избыточной энергии. Эта высвобожденная энергия равна разнице между суммарной энергией связи продуктов деления и энергией связи исходного ядра.

Суммарная масса продуктов деления (осколков и свободных нейтронов) оказывается меньше массы исходного тяжелого ядра. Уменьшение массы $\Delta M$ и переходит в огромное количество энергии $\Delta E = \Delta M \cdot c^2$, которая выделяется в виде кинетической энергии осколков и излучения.

Ответ: Деление тяжелых ядер энергетически выгодно потому, что удельная энергия связи (энергия на один нуклон) у продуктов деления (ядер средней массы) больше, чем у исходного тяжелого ядра. Этот переход в более стабильное, более прочно связанное состояние сопровождается выделением огромного количества энергии, равной разнице энергий связи до и после реакции.