Номер 1, страница 250 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

1. Какие реакции называются термоядерными?

1. Какие реакции называются термоядерными?

Термоядерными реакциями называют реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в более тяжелые, протекающие при сверхвысоких температурах (порядка сотен миллионов кельвинов) и давлениях. Такие условия необходимы для того, чтобы исходные ядра обладали достаточной кинетической энергией для преодоления сил электростатического отталкивания (кулоновского барьера) и сближения на расстояние, где начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы, которые и вызывают слияние.

Ключевой особенностью термоядерных реакций является выделение огромного количества энергии. Эта энергия возникает из-за так называемого дефекта масс: масса ядра, образовавшегося в результате синтеза, оказывается меньше, чем суммарная масса исходных ядер. Уменьшение массы ($\Delta m$) преобразуется в энергию ($\Delta E$) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна:

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

где $c$ — скорость света в вакууме.

Термоядерные реакции являются основным источником энергии звезд, в том числе и нашего Солнца, где происходит превращение водорода в гелий. В земных условиях термоядерный синтез используется в водородных бомбах, а также исследуется как практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии в установках типа токамак и стелларатор.

Примером одной из наиболее перспективных для управляемого термоядерного синтеза реакций является слияние ядер дейтерия ($ _1^2\text{D} $) и трития ($ _1^3\text{T} $):

$ _1^2\text{D} + _1^3\text{T} \rightarrow _2^4\text{He} + _0^1\text{n} + 17.6 \text{ МэВ} $

Ответ: Термоядерные реакции — это реакции синтеза более тяжелых атомных ядер из более легких, которые происходят при чрезвычайно высоких температурах и сопровождаются выделением колоссального количества энергии за счет превращения дефекта масс в энергию.

2. Как объяснить, что при синтезе легких ядер выделяется энергия?

Выделение энергии при синтезе легких ядер объясняется фундаментальным свойством атомных ядер — зависимостью удельной энергии связи от массового числа. Удельная энергия связи — это энергия связи, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре. Она характеризует прочность, или стабильность, ядра.

Если построить график зависимости удельной энергии связи от массового числа $A$ (числа нуклонов в ядре), то можно увидеть следующую закономерность. У самых легких ядер (изотопы водорода, гелия, лития) удельная энергия связи относительно мала. По мере увеличения массового числа она быстро растет и достигает максимума в районе элементов средней части таблицы Менделеева (например, железо-56, $ ^{56}_{26}\text{Fe} $). Для более тяжелых ядер (уран, плутоний) удельная энергия связи медленно уменьшается.

Процесс синтеза легких ядер, например, слияние дейтерия и трития в ядро гелия, представляет собой переход из состояния с меньшей удельной энергией связи в состояние с большей удельной энергией связи. Ядро гелия, которое образуется в результате, является более прочно связанным и, следовательно, более стабильным, чем исходные ядра дейтерия и трития вместе взятые.

Суммарная энергия покоя системы до реакции (масса исходных ядер, умноженная на $c^2$) больше, чем суммарная энергия покоя системы после реакции (масса продуктов, умноженная на $c^2$). Эта разница в энергиях, обусловленная увеличением полной энергии связи, и выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции (например, альфа-частицы и нейтрона) и электромагнитного излучения. Разница между массой исходных частиц и массой продуктов реакции называется дефектом масс. Именно этот дефект масс и является источником выделяющейся энергии согласно формуле $ \Delta E = \Delta m c^2 $.

Таким образом, синтез легких ядер энергетически выгоден, потому что он ведет к образованию более стабильных, прочно связанных ядер с большей удельной энергией связи.

Ответ: При синтезе легких ядер выделяется энергия, так как образующееся в результате реакции более тяжелое ядро обладает большей удельной энергией связи (является более стабильным), чем исходные легкие ядра. Эта разница в энергиях связи высвобождается в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии ($E=mc^2$) за счет уменьшения суммарной массы системы (дефекта масс).