Номер 2, страница 250 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

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

1. Термоядерными реакциями называют реакции синтеза (слияния) легких атомных ядер в более тяжелые, которые происходят при чрезвычайно высоких температурах (порядка десятков и сотен миллионов кельвинов) и высоких давлениях. Такие экстремальные условия необходимы для того, чтобы положительно заряженные ядра могли преодолеть силы электростатического отталкивания (кулоновский барьер) и сблизиться на расстояние, на котором начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы. Эти силы связывают нуклоны вместе, образуя новое, более тяжелое ядро. Процесс слияния сопровождается выделением огромного количества энергии. Классическим примером термоядерных реакций являются процессы, протекающие в недрах Солнца и других звезд, где изотопы водорода (протий, дейтерий, тритий) сливаются, образуя ядра гелия. Одна из наиболее изученных реакций, перспективных для использования в управляемом термоядерном синтезе, — это реакция слияния дейтерия и трития:

$$ {}_1^2\text{H} + {}_1^3\text{H} \rightarrow {}_2^4\text{He} + {}_0^1\text{n} + 17,6 \text{ МэВ} $$

Ответ: Термоядерные реакции — это реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые, протекающие при сверхвысоких температурах и давлениях и сопровождающиеся выделением колоссального количества энергии.

2. Выделение энергии при синтезе легких ядер объясняется через понятия удельной энергии связи и дефекта масс. Удельная энергия связи — это энергия, которая приходится на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре; она характеризует прочность, или стабильность, ядра. У самых легких ядер (изотопов водорода) удельная энергия связи минимальна. По мере увеличения массового числа она растет, достигая максимума в районе элементов группы железа, а затем медленно убывает для тяжелых ядер.

Когда два легких ядра сливаются в одно более тяжелое (но все еще легче железа), удельная энергия связи у образовавшегося ядра оказывается больше, чем у исходных. Это означает, что нуклоны в новом ядре связаны между собой прочнее. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна, выраженному формулой $E = mc^2$, увеличение энергии связи системы приводит к уменьшению ее массы покоя. Следовательно, масса получившегося в результате синтеза ядра всегда меньше, чем сумма масс исходных легких ядер, вступивших в реакцию. Эта разница в массе, называемая дефектом массы реакции ($ \Delta m $), и преобразуется в кинетическую энергию продуктов реакции, то есть выделяется в виде энергии ($ \Delta E $):

$$ \Delta E = \Delta m \cdot c^2 = (m_{исходных\_ядер} - m_{продуктов\_реакции}) \cdot c^2 $$

Таким образом, при синтезе легких ядер часть их массы "аннигилирует", превращаясь в огромное количество энергии.

Ответ: Энергия при синтезе легких ядер выделяется потому, что суммарная масса продуктов реакции оказывается меньше суммарной массы исходных ядер. Эта "потерянная" масса (дефект массы) в соответствии с формулой Эйнштейна $E=mc^2$ преобразуется в выделяющуюся энергию.